J.P. Muller, D. Bémer, Dysfonctionnement des ... · →J.P. Muller, D. Bémer, J.M. Dessagne, Département Ingénierie des procédes, Centre de l’INRS-Lorraine, Nancy Le recyclage

→ J.P. Muller, D. Bémer, J.M. Dessagne, DépartementIngénierie des procédes, Centre del’INRS-Lorraine, Nancy

Le recyclage de l'air épuré dans les ateliers de l'industrie du bois nécessite une sur-veillance efficace et continue. Des systèmes de contrôle, permettant de détecter les

dysfonctionnements de l'installation, doivent être installés afin d'éviter une réintroductionaccidentelle de poussière.L’étude a pour objectif de tester, sur banc d’essai, deux principes de mesurage plus spéci-fiquement adaptés à ce contrôle. La méthode de mesure mise au point pour les essais apermis de simuler deux types d’incidents et de vérifier l’influence de certains paramètressur la réponse des appareils.L’étude a montré que l’ensemble des appareils à effet triboélectrique testés sont capables,avec des sensibilités variées, de déceler les deux types d’incidents simulés sur banc d’essai.En ce qui concerne les photomètres, les appareils à diffusion orthogonale, très sensibles auxvariations granulométriques de l’aérosol, ne peuvent convenir pour ce type d’application.Cependant, les résultats obtenus, pour des photomètres fonctionnant avec des angles dediffusion avant faibles et mettant en œuvre des corrections informatiques, permettentd’envisager leur utilisation pour la détection des dysfonctionnements.

bois menuiserie atelier pousière dysfonctionnement appareil détection banc d’essai test sonde à effet triboélectrique photomètre

MALFUNC T I ON OF DUSTC ONTROL UN I TS I N THEWOODWORKING SECTORSTUDY OF TWO PRINCIPLES OFDETECTION DEVICES

Recirculation of purified air inwoodworking workshops requires

efficient and continuous monitoring.Systems for the detection of dustcontrol unit malfunctions must beinstalled to prevent the accidentalreintroduction of dust.The aim of this test bench study was toinvestigate two measurement principlesspecifically adapted to this type ofmonitoring. The method developed forthe tests allowed simulation of twotypes of incidents and verification ofthe influence of certain parameters onthe response of the detection devices.The study showed that all the triboelectric effect devices testedare capable, with varying degrees ofsensitivity, of detecting both types ofincidents simulated on the test bench.As regards the photometers, the ortho-gonal diffusion devices, which are verysensitive to variations in aerosol particle size, are unsuitable for thistype of application. However, the resultsobtained for photometers operating withlow front diffusion angles and sometimes employing computerisedcorrections allow their use to be envisaged to detect malfunctions.

woodworking dust control unit malfunction detection device test bench triboelectric probe photometer

Dysfonctionnementdes dépoussiéreursde l’industrie du boisEtude de deux principes d’appareilsde détection

21

Cahiers de notes documentaires - Hygiène et sécurité du travail - N° 180, 3e trimestre 2000

Les poussières émises lors de l'usi-nage du bois peuvent induire despathologies de type allergique oudes cancers des voies respiratoires

supérieures (cancer etmoïdonasal). Depuis1997 en France, la valeur limite indicativepour les moyennes d'exposition est de 1mg.m-3 (au sens de la fraction inhalable)pour tous les types d'installations [1, 12].Une Directive européenne du 29 avril1999 [2] reconnaît que le caractère cancé-rogène des poussières de hêtre et de chênea été confirmé par des études épidémiolo-giques et qu'il est hautement probable pourd'autres types de poussières de bois.

Cette directive fixe également, pour lesseuls bois durs, une valeur limite d'expo-sition professionnelle de 5 mg.m-3, mais ils'agit là d'une prescription minimale appli-cable à tous les membres de l'Union euro-péenne. Le recyclage de l'air utilisé pourcapter et évacuer les déchets produits parles machines, n'est autorisé par la régle-mentation française, relative à l'aération et

l'assainissement des locaux de travail, quesi certaines mesures compensatoires sontremplies. Il est notamment stipulé, outre lerespect des exigences en termes d'exposi-tion, que l'air doit être efficacement épuréavant réintroduction dans les locaux etque « les installations de recyclage doiventcomporter un système de surveillance per-mettant de déceler les défauts des disposi-tifs d'épuration » [1]. Cette surveillancecontinue ne se substitue pas au contrôlepériodique des concentrations en poussiè-re (semestriel puisqu'il y a recyclage) enaval des dépoussiéreurs.

Le projet de norme européenne EN12779 [3], traitant des installations d'extrac-tion de poussières de bois, prévoit égale-ment le contrôle permanent des concen-trations en poussière, en aval des dépous-siéreurs. On distingue plusieurs famillesd'appareils pouvant convenir pour cetteapplication : les sondes à effet triboélec-trique, les sondes optiques (photomètres,opacimètres) et les compteurs de parti-

ND 2131-180-00BANC D’ESSA I

288865A-21a36 4/01/01 11:22 Page 21

cules. De tels appareils de surveillanceéquipent depuis un certain temps les che-minées de rejets industriels, toutefois leurcoût était prohibitif pour les ateliers dedeuxième transformation du bois. Desmodèles simplifiés d'un coût plus accep-table (1) sont actuellement commercialisésen Europe. En France, il s'agit essentielle-ment de sondes à effet triboélectrique quiéquipent les dépoussiéreurs de quelquesdizaines d'ateliers.

Afin d'évaluer la pertinence des appareils, plus spé-cifiquement adaptés au secteur du bois, et de déter-miner l'influence de divers facteurs sur leur réponse,l'INRS a entrepris de tester sur banc d'essai lessondes à effet triboélectrique et les photomètres.Les opacimètres, plutôt dédiés aux mesures d'envi-ronnement, et les compteurs de particules, plutôtutilisés en laboratoire, n'ont pas été retenus pourcette étude.

1. Appareils testés

1.1. Appareilà effet triboélectrique

Le principe utilisé par cet appareil estbasé sur la mesure du courant électriquegénéré lors de l’impact des particules surune tige métallique placée dans un fluxd’air chargé de poussière (effet triboélec-trique) [4]. La figure 1 montre l’implanta-tion de la sonde de détection dans leconduit de recyclage d’une installation.

L’objectif visé est de corréler le signalélectrique fourni à la concentration mas-sique de poussière. La charge de contactdépend également de nombreux para-mètres, tels que la nature des particules,leur vitesse, leur taille...

Une technologie nouvelle est basée surle principe que le courant mesuré n’estpas seulement attribuable à l’impact desparticules mais aussi à leur état de chargeélectrique initial [5].

Le calcul du nombre de Stokes de laparticule indique que seules les particulesde gros diamètres (> 10 µm) sont suscep-tibles d’impacter sur l’obstacle. Or, certainssystèmes fournissent néanmoins uneréponse en présence de particules trèsfines n’ayant qu’une très faible probabilitéd’impaction. Ce phénomène peut être

attribué à la charge image induite sur lebarreau conducteur par les particules pas-sant dans son voisinage, mais sans contact.

Le courant mesuré se caractérise alorspar deux composantes distinctes : unsignal continu (DC) produit par l’impactdirect des particules (effet triboélectrique)et une composante alternative (AC) géné-rée par les particules chargées, passant àproximité de la sonde [6].

Certains appareils à effet triboélectriqueprendraient en compte l’intégralité dusignal électrique alors que d’autres suppri-meraient le signal continu généré par l’im-pact des particules pour ne mesurer que lacomposante alternative, dans le but delimiter les effets liés aux variations de lavitesse des particules dans le conduit derecyclage [7]. Cependant, la recherchebibliographique entreprise sur ce pointprécis n’a donné que très peu d’élémentspermettant de vérifier ce principe énoncépar certains constructeurs.

22


(1) Prix compris entre 10 000 et 15 000 F HT (1 524,49 et2 286,73 Euro), installation comprise.

1.2. Photomètre (fig. 2)

Le principe de mesure de cet appareilest basé sur la détection de la lumière dif-fusée par les particules sous un angle dediffusion donné par rapport au faisceauincident. Suivant les modèles, cet anglepeut se situer entre 15° à 120°.

Travaillant généralement en celluleouverte, le photomètre exploite la lumiè-re diffusée par un volume fini, contenantun ensemble de particules. Les appareilsse différencient :

par le type et la longueur d’onde dela source de lumière,

par les angles de collection Ω et dediffusion θ.

Les différentes combinaisons de cesparamètres donnent des appareils plus oumoins sensibles à la taille des particules.Certains seront capables de détecter unegranulométrie de poussière qui ne serapas vue par d’autres appareils ayant desréglages optiques différents [8, 9].

Préamplificateurinfrarouge Émetteur

Optiques

Piège à lumière

Chambre de mesure

Fig. 2. Description d’un photomètre - Description of a photometer

Particules Tige métallique

Vers appareilde mesure

Électronique

Fig. 1. Implantation de la sonde à effettriboélectrique - Installation of the triboelectriceffect probe

288865A-21a36 4/01/01 11:22 Page 22

Temps (s)

No

mb

re d

e p

arti

cule

s p

ar li

tre

1 21 41 61 81 101 121

100000

10000

1000

100

10

1

Fonctionnement normal Dysfonctionnement

> 0,75 µm > 1,00 µm > 2,00 µm

> 3,50 µm > 5,00 µm > 7,50 µm

> 10,00 µm > 15,00 µm

23


Temps (s)

Co

nce

ntr

atio

n (

mg

.m-3

)Fonctionnement normal

Dysfonctionnement

1 21 41 61 81 101 121

0,80

0,70

0,60

0,50

0,40

0,30

0,20

0,10

0,00

Fig. 3. Evolution de la concentration mesurée par l’appareil de référence pour un dys-fonctionnement de type 1 - Change in concentration measured by reference device for a type 1 malfunc-tion

Cette méthode permet de mesurer desconcentrations de poussière assez éle-vées, mais en général, un changement dedistribution granulométrique de l’aérosolà tester pourra modifier, parfois de façonimportante, la réponse (appareils à diffu-sion orthogonale).

Certains appareils, associés à un traite-ment informatique et dont le principe serapproche de celui du compteur de parti-cules, permettent de corriger les effets desvariations granulométriques sur la réponse.

Ils fonctionnent généralement sous desangles de diffusion avant faibles de l’ordrede 15°.

Les appareils sont placés dans leconduit d’essai, de façon à ce que le fluxd’air chargé de particules traverse leurschambres de mesure. Ils sont préalablementétalonnés en concentration par rapport auxmesures de l’appareil de référence.

2. Incidentsde filtration rencontréssur un dépoussiéreur

A partir des mesures effectuées sur leterrain et des données communiquées parles constructeurs de dépoussiéreurs, deuxtypes d’incidents représentatifs de la réali-té ont été adoptés conventionnellement.Les essais ont permis de déterminer l’ap-titude des deux principes de mesure àdétecter ces incidents.

2.1. Incident de type 1

Cet incident correspond à un dysfonc-tionnement franc, représentatif d’undécrochage ou d’une large déchirured’une manche de filtration.

Il est caractérisé par un accroissementbrutal de la concentration de poussière deplusieurs mg.m-3, avec un déplacementsensible de la granulométrie vers les plusgrands diamètres.

Les variations de concentrations depoussière et de granulométrie reproduitessur banc d’essai, sont présentées sur lescourbes des figures 3 et 4 pour ce typed’incident (2).

On observe, dans cette configuration,une augmentation importante du nombrede particules supérieures à 15 µm.

La faible diminution du nombre total departicules, observée figure 4, peut prove-nir du générateur de poussières qui meten œuvre deux circuits d’aspiration diffé-rents pour simuler les deux phases defonctionnement. Les débits d’air respectifsde ces deux circuits peuvent aussi variertrès légèrement.

(2) Concentrations et nombre de particules déterminésà l’aide de l’appareil de référence (cf. § 4.3).

Fig. 4. Evolution du nombre de particules mesuré par l’appareil de

référence pour un dysfonctionnement detype 1 -

Change in number of particles measured by reference device

for a type 1 malfunction

288865A-21a36 4/01/01 11:22 Page 23

2.2. Incident de type 2

Cet incident correspond à un mauvaisétat de la manche filtrante, dû à l’usure ouau vieillissement, et qui entraîne l’appari-tion de très faibles déchirures ou détério-rations. Il est caractérisé par un accroisse-ment sensible de la concentration sansréel changement de granulométrie de lapoussière.

Les figures 5 et 6 présentent un exemplede dysfonctionnement de type 2 reproduiten laboratoire. On remarque, dans ce cas,qu’il n’y a plus de particules supérieures à15 µm.

3. Description des essais

3.1. Principe et méthode

Il convient de reproduire en laboratoi-re, d’une façon représentative, les deuxsituations de dysfonctionnement d’undépoussiéreur décrites aux paragraphesprécédents.

Les appareils à tester sont placés dansune veine d’essai dont le débit d’air estmesuré. Ils sont soumis, dans un premiertemps, à un niveau de concentration et degranulométrie de poussière de bois carac-térisant le fonctionnement normal dudépoussiéreur. La phase de dysfonctionne-ment est ensuite simulée par un change-ment rapide de concentration, avec ou sansmodification de la granulométrie. Plusieurséchelons de concentration peuvent être tes-tés dans ce cycle. Chaque configuration faitl’objet d’au moins trois essais.

Pour chacune des phases, les valeursdélivrées par les appareils sont comparéesaux valeurs d’un appareil de référence(compteur de particules, cf. § 4.3), préala-blement étalonné avec ce type de pous-sière. On calcule ensuite un indice deréponse qui caractérise l’aptitude desappareils à déceler un dysfonctionnement(cf. § 3.3).

24


Temps (s)

1 21 41 61 81 101

Co

nce

ntr

atio

n (

mg

.m-3

)

0,80

0,70

0,60

0,50

0,40

0,30

0,20

0,10

0,00

Fonctionnement normal

Dysfonctionnement

Temps (s)

No

mb

re d

e p

arti

cule

s p

ar li

tre

1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111

1000000

100000

10000

1000

100

10

1


Dysfonctionnement

> 0,75 µm > 1,00 µm > 2,00 µm

> 3,50 µm > 5,00 µm > 7,50 µm

> 10,00 µm > 15,00 µm

Fig. 6. Evolution du nombre de particules mesuré par l’appareil de référence pour un dysfonctionnement de type 2 - Change in number ofparticles measured by reference device for a type 2 malfunction

Fig. 5. Evolution de la concentration mesurée par l’appareil de référence pour un dys-fonctionnement de type 2 - Change in concentration measured by reference device for a type 2 malfunction

3.2. Paramètres d’essais

En fonction des principes de détection,plusieurs paramètres d’essais sont testésafin de déterminer leur effet sur la répon-se des appareils.

Le tableau I regroupe ces paramètres etles valeurs retenues pour les essais.

3.3. Critères d’évaluation

La figure 7 présente un exemple designaux délivrés par l’appareil de référen-ce (cf. § 4.3) et un appareil en test pour lesdeux phases de la mesure et les valeursqui serviront pour le calcul de l’indice de

réponse Im. Cet indice sera calculé pourchaque type de dysfonctionnement et per-mettra d’évaluer l’aptitude des diversappareils à les détecter.

A partir des différentes concentrationsmesurées pendant l’essai, comme lemontre l’exemple de la figure 7, on peutcalculer l’indice de réponse Im de l’appa-reil en test :

Cet indice Im sera comparé à l’indicede réponse Ir de l’appareil de référence :

I

C

Cr

r

r

= 2

1

I

C

Cm

m

m

= 2

1

288865A-21a36 4/01/01 11:22 Page 24

25


(*) dmm : diamètre médian en masse.

Paramètres d’essais Valeurs des paramètres

Concentration de poussière 0,2 mg.m-3

en fonctionnement normal

Granulométrie de la poussière 3 < dmm < 5 µm (*)en fonctionnement normal

Concentration en situationde dysfonctionnement de types 1 et 2 0,4 - 0,6 - 0,8 mg.m-3

Granulométrie de la poussièreen situation de dysfonctionnement

Type 1 12 < dmm < 15 µmType 2 3 < dmm < 5 µm

Vitesse d’air dans le conduit 8 et 14 m.s-1

Etat de charge des particules Charge initiale et neutralisation

Humidité relative de l’air 30 % < HR < 60 %en fonction des conditions climatiques

Nature de la poussière Bois durs(mélange de chêne et de hêtre)

TABLEAU I

CONFIGURATIONS TESTÉES - CONFIGURATIONS TESTEDet plus précisément aux bornes de cetindice définies en tenant compte du cal-cul de l’incertitude de mesure de cetappareil :

Le calcul d’incertitude de mesure effec-tué sur ces valeurs de concentration Crdonne :

± 19 % pour la poussière de 3/5 µm ; ± 23 % pour la poussière de 12/

15 µm.On peut alors calculer Irmin et Irmax.

Si l’indice Im est supérieur à Irmin, l’ap-pareil en test est capable de détecter undysfonctionnement.

Si, de plus, la valeur de cet indice Im estcomprise entre les valeurs Irmin et Irmax,l’appareil pourra délivrer, à condition qu’ilait été préalablement étalonné, des valeursde concentration comparables à cellesdélivrées par l’appareil de référence.

A titre d’exemple, on relève sur lescourbes de la figure 7 qui représentent undysfonctionnement de type 1 :

d’où Im = 2,12

Irm = 1,23 et Irmax = 3,82

Dans ces conditions :Im > Irmin et Irmin ≤ Im ≤ Irmax,

l’appareil est acceptable pour les fonc-tions de détection et de mesurage.

Dans certains cas, un appareil en testpeut être très sensible et donner :

Im ≥ IrmaxIl pourra accomplir sa fonction de

détection mais les valeurs de concentra-tion indiquées ne seront pas correctes,essentiellement en raison du changementde granulométrie.

Si un appareil donne :Im < Irmin

il ne peut convenir pour aucune des deuxfonctions.

C mgmm230 53= −, .C mgmr2

30 40= −, .

C mgmm130 25= −, . C mgmr1

30 21= −, .

I

C

Cr

r

rmax

max

min

= 2

1 I

C

Cr

r

rmin

min

max

= 2

1

C1r : concentration de référence en fonctionnement normal (mg.m3)C2r : concentration de référence en phase de dysfonctionnement (mg.m3)

C1m : concentration mesurée par l’appareil en test en fonctionnement normal (mg.m3)C2m : concentration mesurée par l’appareil en test en phase de dysfonctionnement (mg.m3)

Temps (s)

Phase de bonfonctionnement

Phase dedysfonctionnement

mg.m-3 Appareil de référence

C1m

C2m

C1r

C2r

Incertitudede mesure

0,8

0,6

0,4

0,2

Appareil en test

Fig. 7. Exemple de signaux caractérisantun dysfonctionnement - Example of the signalscharacterising a malfunction

288865A-21a36 4/01/01 11:22 Page 25

26


.

4. Présentation du banc d’essai

Le banc d’essai (cf. schéma en annexe)est constitué d’un circuit de ventilationrelié à un ventilateur et d’un générateur depoussière. Le débit d’air réglé à l’aide d’unregistre est mesuré à partir d’un diaphrag-me monté sur un caisson réduit. Pourréduire l’empoussièrement résiduel, unfiltre très haute efficacité (type HEPA®) estplacé dans le circuit de ventilation àl’amont du générateur de poussière.

4.1. Générateur de poussière

Cet appareil du type générateur à soletournante peut réaliser des échelons deconcentrations avec des granulométriesdifférentes, grâce à l’utilisation d’un circuitde cyclonage et d’un réservoir de mélan-ge. La figure 8 détaille les principaux élé-ments constitutifs.

La poussière de bois stockée dans la tré-mie se dépose régulièrement dans lagorge de la sole tournante .

Elle est ensuite aspirée par l'une oul'autre des buses alimentées en air com-primé pour être dirigée vers l’injection implantée dans le conduit d'essai via lecyclone (cas de fonctionnement nor-mal) ou via un volume de mélange (casde dysfonctionnement). Le réglage de lavitesse de rotation de la sole permetd'ajuster le débit de génération de pous-sière. Un circuit d'air filtré parallèle comportant deux électrodes à effet corona(type Elcowa ECO 8R®) est raccordé ensortie de générateur, afin de charger ou deneutraliser les particules suivant la confi-guration à tester.

4.2. Caisson réduit

Le débit d’air est mesuré par la méthodedu caisson réduit conformément au modeopératoire INRS élaboré à partir de lanorme NF ISO 5801 [11].

Le diaphragme placé à l’amont de l’ins-tallation est associé à un micromanomètrepour le réglage et le contrôle du débit d’airtout au long des essais. Les valeurs depression à mettre en œuvre pour l’obten-tion d’un débit déterminé sont calculéesen fonction de la pression atmosphériqueet de la température du hall d’essai.

Fig. 8. Schéma du générateur de poussière - Diagram of thedust generator

4.3. Appareil de référence

Les concentrations de poussière et lesgranulométries doivent être contrôléespendant la durée des essais afin d’éviterdes dérives éventuelles.

Pour cela, on utilise un compteuroptique de particules Grimm 1105®, asso-cié à une sonde de prélèvement isociné-tique implantée dans la zone de mesuredu conduit d’essai. Cet appareil possèdehuit canaux de mesure permettant decompter le nombre de particules par litred’air pour des diamètres allant de 0,5 µmà 15 µm et plus.

Il permet aussi, après un étalonnagepréalable avec la poussière de bois utiliséepour les tests, de donner les valeurs abso-lues de la concentration massique dans leconduit d’essai.

4.4. Prélèvements sur filtre

Afin de s’assurer de la stabilité du géné-rateur de poussière et pour pallier d’éven-tuelles variations d’étalonnage du comp-teur, des prélèvements sur filtre sont effec-tués régulièrement dans la zone de mesu-re du conduit d’essai.

Ces prélèvements sont réalisés en res-pectant les conditions d’isocinétisme avecune deuxième sonde associée à un portefiltre, une tuyère sonique et une pompe.

4.5. Section de mesure

Le conduit d’essai comporte une zonede mesure dans laquelle les appareils entest et les appareils de contrôle sontimplantés. Cette zone est aménagée sur lecircuit d’essai à une longueur suffisante dupoint de génération pour obtenir, dans lasection de mesure, une répartition homo-gène de la poussière tout en limitant sasédimentation. Cette homogénéité a étévérifiée à l’aide de la technique de traçagehélium et les mesures ont permis de cal-culer un coefficient de variation de 1 %sur la section de 300 mm.

4.6. Caractéristiquesde la poussière de bois

On utilise, pour les essais, de la pous-sière fine d'essences de bois dur (mélangede chêne et de hêtre). Tous les échantillonsde poussière utilisés pour les essais pro-viennent de mêmes lots, produits unique-ment à partir d’opérations de ponçageeffectuées dans une menuiserie industrielle.

L’ensemble des résultats présentés dansce document ne concerne que les testsréalisés avec la poussière de bois dur.Cependant, des essais préliminaires ontété réalisés avec une poussière de boistendre (mélange de sapin et d'épicéa)provenant d’une entreprise qui fabrique,

288865A-21a36 4/01/01 11:22 Page 26

pour des applications industrielles, de la «farine » de bois de différentes granulomé-tries. Cette poussière s’est avérée très diffi-cile à générer de par son pouvoir « collant »,dû vraisemblablement au taux ou à lanature des résines.

Les courbes des figures 9 et 10 présen-tent respectivement les répartitions granu-lométriques des poussières (mélange dechêne et de hêtre) qui sont générées poursimuler le fonctionnement normal et ledysfonctionnement de type 1.

Cette analyse a été effectuée à partird’un appareil Coultronics MultisizerT00145® sur un échantillon massif, quidétermine la répartition granulométriquede la poussière sur 32 canaux de mesureallant de 1,8 à 63 µm. Ces résultats ont étéconfirmés par des mesures réalisées enmicroscopie électronique.

Le diamètre ainsi déterminé est un dia-mètre équivalent en volume ; la distribu-tion permet de calculer le diamètre volu-mique en masse dmv (égal au diamètremédian en masse).

Les échantillons de poussière, utiliséspour la génération au cours des essais,sont prélevés à parts égales dans les diffé-rents récipients de stockage et mélangésavant d’être introduits dans le générateur.

5. Résultats

5.1. Appareil à effet triboélectrique

5.1.1. Réponse à un dysfonctionnement de type 1

Les courbes des figures 11 et 12 présen-tent respectivement le signal enregistré parl’appareil de référence et la réponse d’unappareil à effet triboélectrique.

27


Fig. 10. Répartition granulométrique de la poussière en dysfonctionnement de type 1 (dmv = 12,2 µm) - Dust particle size distribution for a type 1 malfunction(dmv = 12.2 µm)

10

8

6

4

2

01,8 5,6 16,9 51,3

Diamètre équivalent volume (µm)

Dis

trib

uti

on

vo

lum

iqu

e

12,2

12

10

8

6

4

2

0

1,2 3,5 10,7 32,3

Diamètre équivalent volume (µm)

Dis

trib

uti

on

vo

lum

iqu

e

Fig. 9. Répartition granulométrique de lapoussière en fonctionnement normal(dmv = 3,5 µm) - Dust particle size distributionduring normal operation (dmv = 3,5 µm)

Fig. 12. Réponse d’un appareil à effettriboélectrique à un dysfonctionnement

de type 1 - Response of a triboelectric effectdevice to a type 1 malfunction

Fig. 11. Signal de l’appareil de référencepour un dysfonctionnement de type 1 -Signal of reference device for a type 1 malfunction

Fonctionnement normal0,2 mg.m-3

Dysfonctionnement0,5 mg.m-3

0 20 40 60 80 100 120 140

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

0,0

Temps (s)

Rép

on

se t

rib

oél

ectr

iqu

e (m

g.m

-3)

Co

nce

ntr

atio

n (

mg

.m-3

)


Dysfonctionnement

1 21 41 61 81 101 121

1,00

0,90

0,80

0,70

0,60

0,50

0,40

0,30

0,20

0,10

0,00

288865A-21a36 4/01/01 11:22 Page 27


Les courbes des figures 13 et 14 présen-tent le signal délivré par l’appareil de réfé-rence pour ce dysfonctionnement et laréponse d’un appareil à effet triboélec-trique.

5.1.3. Réponse d’un appareil à effettriboélectrique en fonctionde la granulométrie de la poussièreutilisée pour son étalonnage

Les courbes de la figure 15 présententles différentes réponses d’un appareil àeffet triboélectrique, ayant été successive-ment étalonné en concentration avec deuxtypes de granulométries de poussière.

28


Temps (s)

Co

nce

ntr

atio

n (

mg

.m-3

)1 21 41 61 81 101

0,80

0,70

0,60

0,50

0,40

0,30

0,20

0,10

0,00

Dysfonctionnement


0 20 40 60 80 100 120

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0,0

Temps (s)

Rép

on

se t

rib

oél

ectr

iqu

e (m

g.m

-3)

Fonctionnement normal0,2 mg.m-3

Dysfonctionnement0,5 mg.m-3

Fig. 13. Signal de l’appareil de référence pour un dysfonctionne-ment de type 2 - Signal of reference device for a type 2 malfunction

Fig. 14. Réponse d’un appareil à effet triboélectrique à un dysfonctionnementde type 2 - Response of a triboelectric effectdevice to a type 2 malfunction

Fig. 15. Influence de la granulométrie dela poussière utilisée pour l’étalonnage surla réponse de l’appareil - Influence of theparticle size of the dust used to calibrate the response of the device

0 20 40 60 80 100 120

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

0,0

Temps (s)

Rép

on

se t

rib

oél

ectr

iqu

e (m

g.m

-3)

Fonctionnement normal(0,2 mg.m-3)

Dysfonctionnementtype 1 (0,5 mg.m-3)

Dysfonctionnementtype 2 (0,5 mg.m-3)

type 2 type 1

type 1 (calage sur 3/5 µm) type 1 (calage sur 12/15 µm) type 2 (calage sur 12/15 µm) type 2 (calage sur 3/5 µm)

288865A-21a36 4/01/01 11:22 Page 28

5.1.5. Réponse aux variations de charge électrique des particules

Les essais entrepris sur ce paramètremontrent une certaine influence de lacharge électrique des particules sur lamesure. La figure 17 présente la réponsed’un appareil à effet triboélectriquelorsque la charge moyenne initiale desparticules (mesurée avec un électromètrede type TSI 3068®) est réduite par neutra-lisation d’environ 40 % à concentration etvitesse constantes.

Cependant, ces essais ont mis en évi-dence que la prise en compte de ce para-mètre, étroitement lié au degré d’humiditéde l’air, nécessite la mise en œuvre detechniques de mesure délicates et com-plexes [9, 10]. Le laboratoire n’a pas actuel-lement les moyens de développer cettetechnique et les résultats de l’influence dela charge électrique des particules sur lesappareils à effet triboélectrique sont don-nés ici à titre qualitatif.

29


0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0,0

Temps (s)

Rép

on

se t

rib

oél

ectr

iqu

e (m

g.m

-3)

Particules 12/15 µm

V = 8 m.s-1 V = 14 m.s-1

1

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0,0

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

Rép

on

se t

rib

oél

ectr

iqu

e (m

g.m

-3)

Ch

arg

e d

es p

arti

cule

s(u

nit

é ar

bit

rair

e)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Temps (s)

Concentration

Charge

Particules chargéesnaturellement

Particules neutralisées

Fig. 16. Influence de la variation de lavitesse d’air sur la réponse de l’appareil -Influence of variation in air velocity on the responseof the device

Fig. 17. Réponse d’un appareil à effettriboélectrique à une variation de charge des particules à concentration et granulométrie constantes -Response of a triboelectric effect device to a variation in particle charge at constant concentration and particle size

5.1.4. Réponse aux variations de vitesse d’air dans le conduit

La figure 16 montre un exemple d’évo-lution de la réponse d’un appareil à effettriboélectrique (type AC), lorsque la vites-se d’air dans le conduit change et que laconcentration reste constante. Une série de dix essais visant à détermi-ner l’influence des variations de la vitessed’air a été réalisée à concentrationconstante pour les deux classes de granu-lométrie.

Le tableau II regroupe les résultats obte-nus pour ces configurations. Le rapportR14/R8 correspond au rapport de la répon-se de l’appareil pour une vitesse d’air de14 m.s-1 à la réponse pour une vitessed’air de 8 m.s-1.

Les essais effectués avec les deux typesd’appareils à effet triboélectrique donnentdes résultats sensiblement identiques pourcette plage de vitesse.

Poussière Poussière 3/5 µm 12/15 µm

Moyenne de σ Moyenne de σR14/R8 R14/R8

1,03 0,09 1,05 0,07

Réponse d’un appareil à effet triboélectriqueaux variations de vitesse d’air - Response of a triboelectric

effect device to variations in air velocity

TABLEAU II

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5.1.6. Indice de réponse Im pour lesappareils à effet triboélectrique testés

Les courbes de la figure 18 donnent lesécarts des indices de réponse Im calculéssuivant la méthode décrite au § 3.3 pourles appareils à effet triboélectrique, enfonction de la concentration pour deuxgranulométries de poussière.

5.1.7. Discussion

Les valeurs des indices de réponse Im,que l’on relève sur les courbes de la figu-re 18, montrent que ce type d’appareilréagit correctement aux différents change-ments de concentration avec une sensibi-lité qui s’accroît fortement lorsqu’on setrouve en présence d’un dysfonctionne-ment de type 1, pour lequel la granulo-métrie passe de 3/5 µm à 12/15 µm (Im >Irmax). Cette augmentation de sensibilité,en présence de ce type d’incident, va dansle sens de la sécurité des personnes tra-vaillant dans les ateliers où l’air est recycléaprès dépoussiérage, mais la valeur deconcentration indiquée sera nettementsurévaluée.

Dans le cas d’un dysfonctionnement detype 2, l’appareil détecte sans difficultél’incident, même si sa sensibilité se trouveréduite par la présence de particules plusfines (Irmin ≤ Im ≤ Irmax).

Les essais relatifs à l’influence des varia-tions de la vitesse d’air dans le conduit (cf.fig. 16 et tableau I) montrent que ce para-mètre n’a pratiquement pas d’influencedans la gamme testée, quel que soit letype d’appareil à effet triboélectrique,contrairement à ce qui avait été mesurélors d’essais préliminaires. Cette différenced’observation provenait d’une mauvaiseutilisation au laboratoire de la sonde àeffet triboélectrique.

Les essais entrepris sur l’influence del’état de charge des particules sur la répon-se des appareils (cf. fig. 17) montrent unecertaine sensibilité aux variations de ceparamètre. Cependant, comme la plage defluctuation de l’état de charge naturelle desparticules sur site n’est ni connue ni maî-trisable, il n’est pas possible de quantifierl’influence de ce paramètre sur les appa-reils à effet triboélectrique dans l’étatactuel de nos moyens.

Cette influence peut parfois ne pas êtrenégligeable.

Il faut prendre en considération que lesvariations combinées de différents para-mètres pourraient, dans certains cas,entraîner des dépassements de seuil

30


Fig. 18. Evolution des indices de réponse Im pour l’ensemble des appareils à effet triboélectrique - Change in the response indexes Im for all the triboelectric effect devices

d’alerte sans qu’il y ait un dysfonctionne-ment réel, si celui-ci est fixé trop bas.

Si cet appareil a été préalablement éta-lonné en concentration sur banc d’essai, ill’a été pour des conditions de granulomé-trie de poussière, de vitesse et de chargedes particules données.

Placé en situation de détection sur uneinstallation industrielle, l’appareil pourraindiquer un incident alors que le fonc-tionnement est normal simplement parceque les conditions de granulométrie, vites-se et charge sur site seront différentes desconditions d’étalonnage. Les résultats pré-sentés à la figure 15 montrent que, si unappareil est étalonné sur des poussièresde granulométrie plus élevée, celui-ci seraincapable de détecter un dysfonctionne-ment de type 2.

La solution la plus performante consisteà l’étalonner par rapport à une mesurepondérale réalisée sur le site d’implanta-tion, à l’aide d’une sonde de prélèvementisocinétique. Cette méthode permet deprendre en compte les caractéristiques dela poussière et de fonctionnement de l’ins-tallation, mais elle est de mise en œuvrelourde et onéreuse.

Une autre technique consiste à étalon-ner l’appareil sur un pilote en usine surlequel on pourra se rapprocher des condi-tions de terrain, notamment en ce quiconcerne la nature et la granulométrie dela poussière et la vitesse dans le conduitde recyclage. Il faut rappeler que la fonc-tion première de cet appareil n’est pas dedonner une indication continue et précisede la concentration, mais de détecter rapi-dement un dysfonctionnement dudépoussiéreur.

5.2. Photomètres

5.2.1. Réponses à un dysfonctionnement de type 1

Les courbes des figures 19, 20 et 21 pré-sentent respectivement le signal délivrépar l’appareil de référence et les réponsesdes deux types de photomètres pour cedysfonctionnement.

lref max lref min

lmes maxi (type 1) lmes mini (type 1)

lmes maxi (type 2) lmes mini (type 2)

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

Concentration de référence (mg.m-3)

Ind

ice

de

rép

on

se (

l m)

288865A-21a36 4/01/01 11:22 Page 30

31


Temps (s)

(g

)

0,70

0,60

0,50

0,40

0,30

0,20

0,10

0,00

0 100 200 300 400 500 600

Fonctionnement normal 0,2 mg.m-3 - 3/5 µm

PHOTOMÈTRE À DIFFUSION AVANT

Dysfonctionnement 0,5 mg.m-3 - 12/15 µm

Fig. 19. Signal de l’appareil de référencepour un dysfonctionnement de type 1 -

Signal of the reference device for a type 1 malfunction

Fig. 21. Réponse d’un photomètre àangle de diffusion avant avec traitement

informatique pour un dysfonctionnementde type 1 -

Response of a front diffusion angle photometer withcomputer processing to a type 1 malfunction

Fig. 20. Réponse d’un photomètre àangle de diffusion orthogonale pour un

dysfonctionnement de type 1 - Response ofan orthogonal diffusion angle photometer

to a type 1 malfunction

Temps (s)

Co

nce

ntr

atio

n (

mg

.m-3

)

1 21 41 61 81 101 121

0,80

0,70

0,60

0,50

0,40

0,30

0,20

0,10

0,00


Dysfonctionnement

Temps (s)

Rép

on

se p

ho

tom

ètre

(m

g.m

-3)

0,40

0,35

0,30

0,25

0,20

0,15

0,10

0,05

0,00

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800


0,2 mg.m-3 - 3/5 µm

PHOTOMÈTRE À DIFFUSION ORTHOGONALE


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32


Temps (s)

Co

nce

ntr

atio

n (

mg

.m-3

)

1 21 41 61 81 101

0,70

0,60

0,50

0,40

0,30

0,20

0,10

0,00


Dysfonctionnement

Fig. 22. Signal de l’appareil de référence pour un dysfonctionnement de type 2 -Reference signal for a type 2 malfunction

Temps (s)

Rép

on

se p

ho

tom

ètre

(m

g.m

-3)

0,60

0,50

0,40

0,30

0,20

0,10

0,00

0 10050 150 250 350200 300

Fonctionnement normal 0,2 mg.m-3 - 3/5 µm


Fig. 23. Réponse commune des photomètres testés à un dysfonctionnement de type 2 - Response of the photometers testedto a type 2 malfunction

lref max lref min

lm diff. orthog. (type 1) lm diff. avant (type 1)

lm diff. orthog. (type 2) lm diff. avant (type 2)

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

7

6

5

4

3

2

1

0

Concentration de référence (mg.m-3)

Ind

ice

de

rép

on

se d

es p

ho

tom

ètre

s (l

m)

Fig. 24. Indices de réponse Impour les deux types de photomètres -Response indexes Im for both types of pho-tometers

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Les courbes des figures 22 et 23 présen-tent le signal délivré par l’appareil de réfé-rence et le type de réponse commune desphotomètres testés pour ce type de dys-fonctionnement.

5.2.3. Valeur des indices de réponseIm pour les photomètres

Les courbes de la figure 24 donnent lesécarts des indices de réponse Im calculéspour les deux types de photomètres enfonction de la concentration et les deuxtypes de dysfonctionnements (cf. § 3.3).

5.2.4. Discussion

Les valeurs des indices de réponserelevées à la figure 24 montrent que cetappareil détecte sans difficulté un dys-fonctionnement de type 2 (Im diff. orthog.type 2). Par contre, dans le cas d’un dys-fonctionnement de type 1 (changementsimultané de concentration et de granulo-métrie), les réponses obtenues varient sui-vant la conception des appareils.

Pour un photomètre classique fonc-tionnant avec un angle de diffusion d’en-viron 90°, l’appareil fortement influencépar la variation granulométrique donneune réponse erronée (fig. 20) et ne détec-te pas ce type de dysfonctionnement.Dans ce cas, l’indice Im diff. orthog. type 1,est nettement inférieur à l’indice Irmin.

Les photomètres à angle de diffusionavant faible, dont le principe se rapprochede celui des compteurs de particules avectraitement informatique associé, sontbeaucoup moins affectés par les variationsgranulométriques des particules. Ils peu-vent détecter les dysfonctionnements detype 1 (Im diff. avant type 1) avec cepen-dant des sensibilités plus faibles que cellesdes appareils à effet triboélectrique.Certains de ces photomètres encore austade de prototype devraient être com-mercialisés prochainement et présenterdes sensibilités plus élevées.

D’une manière générale, les photo-mètres ne sont pas sensibles aux variationsde vitesse et de charge des particules.Cependant, leur sensibilité pourrait évo-luer sous l’influence d’autres facteurs telsque la nature, la forme et l’indice deréfraction des particules. L’influence de cesfacteurs n’a pas été étudiée dans le cadrede cette étude.

Dans le cas de la mise en place sur sited’un photomètre capable de prendre encompte les changements granulomé-triques, les procédures d’étalonnagedécrites au § 5.1.7 pourront aussi s’appliquer.

CONCLUS I ON

L’étude entreprise par l’INRS sur les dis-positifs de détection du dysfonctionne-ment des dépoussiéreurs, montre qu’ilexiste des appareils capables d’assurer unesurveillance efficace de l’air recyclé dansles locaux de travail en détectant des inci-dents de types différents.

Avec des sensibilités variées, les appa-reils à effet triboélectrique sont capablesde déceler les deux types d’incidentssimulés sur banc d’essai, quelle que soit latechnologie utilisée.

En ce qui concerne les photomètres, lesappareils à diffusion orthogonale très sen-sibles aux variations granulométriques del’aérosol ne peuvent convenir pour cetype d’application. Par contre, les résultatsobtenus avec des appareils prototypes àangle de diffusion avant, associés à un trai-tement informatique, permettent d’envisa-ger leur utilisation pour la détection desdysfonctionnements.

Tous ces dispositifs de détection présen-tent quelques difficultés pratiques d’éta-lonnage et de réglage du seuil d’alerte.Des campagnes de suivi sur site sont pré-vues. Elles permettront de mieux appré-hender le comportement en service de cessondes, notamment leur encrassement etla dérive de l'électronique associée. Lescampagnes permettront également demieux caractériser les divers types de dys-fonctionnement des dépoussiéreurs.

33


BIBLI OGRAPHI E

1. Aération et assainissement des ambiances de tra-vail. Réglementation générale. Textes et commentaires.INRS, ED 720, 1996 (2e éd.), 48 p.2. Directive 1999/38/CE du Conseil du 29 avril1999. Protection des travailleurs contre les risques liésà l’exposition à des agents cancérogènes au travail etl’étendant aux agents mutagènes. Journal Officieldes Communautés Européennes 1er juin 1999,pp. L 138/66-69.3. pr EN 12779 - Machines pour le travail de bois -Installations fixes d’extraction de copeaux et de pous-sières - Performances relatives à la sécurité et prescrip-tions de sécurité. Bruxelles, CEN, 1999.4. WALTER J. - Particle surface interaction : chargetransfer, energy loss, resuspension, and deagglomera-tion. Aerosol Science and Technology, 1995, 23, pp. 2-24.

5. WALTER J., REISCHL G., DEVOR W. - Chargetransfer to metal surfaces from bouncing aerosol par-ticles. Aerosol Science and Technology, 1980, 2,pp. 115-138.6. VERCOULEN P.H.W., ROOS R.A. - An instru-ment for measuring electric charge on individual aerosolparticles. Journal of Aerosol Science, 1991, 22, pp.335-338.7. RAMSEY K. - The emergence of triboelectric tech-nology. Pollution Engineering, 1998, pp. 54-56.8. GÖRNER P., FABRIES J.F. - Technique de mesu-re automatique des aérosols atmosphériques. Cahiersde Notes Documentaires - Hygiène et Sécuritédu Travail, 1990, 140, ND 1794, pp. 595-626.

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ANNEXE

SCHÉMA DU BANC D’ESSAI - APPENDIX: DIAGRAM OF THE TEST BENCH

Caisson réduit pour la mesure de débit

Filtre haute efficacité

Sonde de génération de poussières Générateur de poussières

Première zone de mesure Sonde de prélèvement isocinétique

Registre pour réglage du débit d'air

Ventilateur Caisson de filtration

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INSTITUT NATIONAL DE RECHERCHE ET DE SÉCURITÉ - 30, rue Olivier-Noyer, 75680 Paris cedex 14

Tiré à part des Cahiers de notes documentaires - Hygiène et sécurité du travail, 3e trimestre 2000, n° 180 - ND 2131 - 1 200 ex.N° CPPAP 804 AD/PC/DC du 14-03-85. Directeur de la publication : J.-L. MARIÉ. ISSN 0007-9952 - ISBN 2-7389-0864-0 JO

UV

E -

Par

is

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Documents

J.P. Muller, D. Bémer, Dysfonctionnement des ... · →J.P. Muller, D. Bémer, J.M. Dessagne, Département Ingénierie des procédes, Centre de l’INRS-Lorraine, Nancy Le recyclage