(a) Un schéma de l'installation expérimentale pour mesurer les suspensions de particules montrant le matériel optique constitué d'une LED couplée à la fibre, une caméra à capteur d'image CMOS et le filtre spatial angulaire polymère (ASF). (b) Principe de fonctionnement de l'ASF :la lumière diffusée à partir de l'échantillon de particules est collectée jusqu'à des angles de coupure cumulatifs spécifiques définis par la dimension géométrique des trous. Seuls deux trous sont représentés par souci de simplicité, mais dans les expériences initiales, 23 trous de diamètre différent (c'est-à-dire d'angles de coupure) ont été utilisés. (c) Prototype de laboratoire de matériel optique à ICFO. L'appareil complet expédié à Leeds et Dresde pour les mesures a été construit dans un boîtier approprié avec l'électronique de commande. Crédit :par Rubaiya Hussain, Mehmet Alican Noyan, Getinet Woyessa, Rodrigo R. Retamal Marin, Pedro Antonio Martinez, Faiz M. Mahdi, Vittoria Finazzi, Thomas A. Hazlehurst, Timothy N. Hunter, Tomeu Coll, Michael Stintz, Frans Muller, Georgios Chalkias et Valerio Pruneri
Dans de nombreuses applications industrielles et environnementales, la détermination de la taille et de la distribution des particules microscopiques est essentielle. Par exemple, dans l'industrie pharmaceutique, la mesure et le contrôle en ligne des particules contenant divers ingrédients chimiques (avant la consolidation en comprimés) peuvent améliorer considérablement le rendement et la qualité du produit médical final. Aussi, l'air que nous respirons, l'eau que nous buvons et les aliments que nous mangeons peuvent également contenir de nombreux types de particules malsaines, qu'il est alors crucial de détecter pour notre santé et notre bien-être.
Dans un nouvel article publié dans Science de la lumière et application , une équipe de scientifiques et d'ingénieurs européens d'ICFO et d'IRIS en Espagne, Ipsumio B.V. aux Pays-Bas, l'Université technique du Danemark, la Technische Universität Dresden en Allemagne et l'Université de Leeds au Royaume-Uni, a développé un nouvel analyseur de taille de microparticules en combinant produits électroniques grand public et intelligence artificielle. Le dispositif, un ordre de grandeur plus petit en termes de taille, poids et coût, mesure la taille des particules avec une précision comparable au moins aux analyseurs de taille de particules commerciaux basés sur la lumière.
« Le projet ProPAT financé par l'UE visait à fournir de nouveaux capteurs pour les applications industrielles. L'innovation développée par ICFO est un excellent exemple d'un tel capteur. applicabilité potentielle dans les environnements industriels, " dit Frans Muller, professeur en génie des procédés chimiques à l'Université de Leeds et directeur technique de ProPAT.
Classiquement, Les analyseurs de taille de particules (PSA) basés sur la diffraction laser (LD) sont largement utilisés pour mesurer la taille des particules de quelques centaines de nanomètres à plusieurs millimètres. Dans de tels appareils, la lumière laser focalisée sur un échantillon de particules dilué produit un motif de diffraction (diffusion), mesurée par un réseau de détecteurs de lumière et convertie en une distribution granulométrique en utilisant une théorie de diffusion bien établie. Ces appareils sont précis et fiables mais de grande taille (chaque dimension étant de l'ordre du demi-mètre), lourdes (des dizaines de kg) et chères (souvent de l'ordre de cent mille dollars ou plus). En outre, leur complexité, en plus du fait qu'ils nécessitent souvent une maintenance et un personnel hautement qualifié, les rendre impraticables, par exemple dans la plupart des applications industrielles en ligne, qui nécessitent l'installation de sondes dans les environnements de traitement, souvent à plusieurs endroits.
Le PSA nouvellement développé fonctionne dans une configuration de faisceau collimaté à l'aide d'une simple diode électroluminescente (LED) et d'un seul capteur d'image à oxyde métallique-semiconducteur (CMOS). similaires à ceux utilisés dans les téléphones intelligents. L'innovation clé est le petit filtre spatial angulaire (ASF) composé d'un ensemble de trous de différents diamètres qui est extrudé à partir d'une tige en polymère. En éclairant l'échantillon cible, la lumière se diffuse et passe à travers l'ASF sur le capteur. La lumière collectée à partir de trous de tailles différentes est représentative d'un ensemble différent d'angles de diffusion. Un modèle d'apprentissage automatique (ML) ad hoc convertit l'image du capteur en taille de particules. Le même appareil peut être facilement converti en hazemeter, un instrument essentiel pour caractériser de nombreux matériaux optiques.
« C'est très excitant de voir comment une simple combinaison de composants photoniques grand public, comme une LED et une caméra de téléphone, un filtre angulaire innovant fabriqué à l'aide d'une extrusion de fibres à cristaux photoniques à grande échelle et d'un traitement de données par apprentissage automatique nous a permis de fabriquer un tel compact, appareil pas cher et précis, " dit Rubaiya Hussain, premier auteur de l'article et Ph.D. candidat dans le groupe Optoélectronique à ICFO.
Afin de valider le nouveau PSA, des mélanges d'eau et de billes de verre avec des tailles comprises entre 13 et 125 micromètres ont été testés à plusieurs concentrations de procédé dans des dispersions liquides. Les systèmes de diffraction laser ne peuvent pas mesurer des concentrations aussi élevées car la lumière est diffusée plusieurs fois, ce qui entraîne des motifs de diffusion qui ne peuvent pas être convertis en taille de particules. En utilisant l'algorithme d'apprentissage automatique de la forêt aléatoire, les données du nouvel appareil ont pu être analysées avec succès, augmenter la plage de travail des tailles de particules et des concentrations qui peuvent être mesurées.
"Nous avons utilisé le dispositif PSA construit à ICFO à Barcelone pour collecter des données à partir de différentes gammes de tailles de particules et de concentrations de billes de verre standard. Selon les résultats obtenus et notre expérience, nous avons été ravis de constater que la précision de quelques % de la taille médiane des particules de volume (D50) est comparable à d'autres techniques de mesure (par exemple LD) dans la gamme micrométrique, " dit l'ingénieur-diplômé Rodrigo R. Retamal Marín, chercheur dans le groupe Génie des procédés mécaniques à la Technische Universität Dresden.
De futures améliorations du matériel optique sont également en cours de conception. En particulier, une optimisation plus poussée du composant ASF innovant et des méthodes de capture de données affinées sont en cours, produire plus gros, des ensembles de données plus fidèles pour l'algorithme d'apprentissage automatique. Les travaux futurs comprendront également l'analyse de particules non sphériques, collectés avec des systèmes d'alimentation d'échantillons bien conçus pour les mesures sèches et humides, conduisant à une analyse de haute précision pour une gamme de systèmes pertinents pour l'industrie.
« Nous avons l'intention d'utiliser la flexibilité inhérente à la conception simple et au faible coût matériel de notre PSA propriétaire pour des applications spécifiques, par exemple la surveillance en ligne ou en ligne, et nous recherchons des partenaires de diverses industries et institutions de recherche, " dit Valerio Pruneri, ICREA Professeur à l'ICFO et auteur principal de l'ouvrage.
