SIST ISO 13271:2013
Stationary source emissions - Determination of PM10/PM2,5 mass concentration in flue gas - Measurement at higher concentrations by use of virtual impactors
Stationary source emissions - Determination of PM10/PM2,5 mass concentration in flue gas - Measurement at higher concentrations by use of virtual impactors
This International Standard specifies a standard reference method for the determination of PM10 and PM2,5 mass concentrations at stationary emission sources by use of two-stage virtual impactors. The measurement method is especially suitable for in-stack measurements of particle mass concentrations in flue gas. The method can also be used for flue gas which contains highly reactive compounds (e.g. sulfur, chlorine, nitric acid) at high temperature or in the presence of high humidity. The International Standard is applicable to higher dust concentrations. Coarse particles are separated into the nozzles with negligible rebound and entrainment phenomena of collected coarse particulates. For the same reason, the artefacts due to high concentrations in gases or emissions are quite limited. This International Standard is not applicable to the determination of the total mass concentration of dust.
Émissions de sources fixes - Détermination de la concentration en masse de PM10/PM2,5 dans les effluents gazeux - Mesurage à des hautes concentrations à l'aide des impacteurs virtuels
Emisije nepremičnih virov - Določevanje masne koncentracije PM10/PM2,5 v odpadnih plinih - Meritve pri večjih koncentracijah z uporabo impaktorjev
Ta mednarodni standard določa standardno referenčno metodo za določevanje masnih koncentracij PM10 in PM2,5 pri nepremičnih virih emisij z uporabo dvostopenjskih impaktorjev. Merilna metoda je zlasti primerna za meritve masnih koncentracij delcev v odpadnih plinih v odvodnikih v zrak. Metoda se lahko uporablja tudi za odpadni plin, ki vsebuje zelo reaktivne spojine (npr. žveplo, klor, dušikova kislina) pri visoki temperaturi ali pri visoki vlažnosti. Mednarodni standard se uporablja za višje koncentracije prahu. Grobi delci se ločijo v šobe z zanemarljivim pojavom odboja in primešanja zbranih grobih delcev. Zato so artefakti, ki jih povzročajo visoke koncentracije v plinih ali emisijah, razmeroma omejeni. Ta mednarodni standard se ne uporablja za določevanje skupne masne koncentracije prahu.
General Information
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 13271
First edition
2012-06-15
Stationary source emissions —
Determination of PM /PM
10 2,5
mass concentration in flue gas —
Measurement at higher concentrations
by use of virtual impactors
Émissions de sources fixes — Détermination de la concentration en
masse de PM PM dans les effluents gazeux — Mesurage à des
10/ 2,5
hautes concentrations à l’aide des impacteurs virtuels
Reference number
ISO 13271:2012(E)
©
ISO 2012
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ISO 13271:2012(E)
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Published in Switzerland
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ISO 13271:2012(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction . v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Symbols and abbreviated terms . 4
4.1 Symbols . 4
4.2 Abbreviated terms . 5
5 Principle . 6
5.1 General . 6
5.2 Theory of virtual impactor . 6
6 Specification of the two-stage virtual impactor . 8
6.1 General . 8
6.2 Separation curves . 8
6.3 Verification of the separation curves . 9
6.4 Operating conditions . 9
7 Sampling train .12
7.1 Measuring setup .12
7.2 Equipment and working materials .13
8 Preparation, measurement procedure and post-treatment .15
8.1 General .15
8.2 Pre-treatment .15
8.3 Measurement procedure .16
8.4 Weighing procedure .17
8.5 Post-sampling treatment of weighed parts .18
9 Calculation of the results .18
10 Performance characteristics .19
10.1 Virtual impactor load .19
10.2 Detection limit .19
10.3 Measurement uncertainty .19
10.4 Particle losses .19
11 Test report .20
Annex A (informative) Physical property estimation for the calculation of sample volume flow rate .21
Annex B (informative) Errors by deviations from isokinetic sampling .25
Annex C (informative) Example of a two-stage virtual impactor .27
Annex D (informative) Influence of variations in the flue gas temperature and flue gas composition on
the Reynolds number .31
Annex E (informative) Entry nozzle .34
Annex F (informative) Equipment list .35
Annex G (normative) Determination of a representative sampling point .37
Annex H (informative) Generation of standard aerosol for virtual impactor calibration .39
Bibliography .40
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ISO 13271:2012(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the International
Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 13271 was prepared by Technical Committee ISO/TC 146, Air quality, Subcommittee SC 1, Stationary
source emissions.
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ISO 13271:2012(E)
Introduction
In order to quantify the amount of PM and PM particles in stationary source emissions or to identify the
10 2,5
contribution sources of PM and PM in ambient air, it is necessary to measure fine particulate matter in the
10 2,5
flue gas of industrial sources.
This International Standard describes a measurement method for determination of mass concentrations of
[1]
PM and PM emissions, which realizes the same separation curves as those specified in ISO 7708 for
10 2,5
PM and PM in ambient air. The method is based on the principle of gas stream separation using two-stage
10 2,5
virtual impactors. This is applicable to higher dust concentrations than the concentrations used for cascade
impactors with impaction plates.
The measurement method allows the simultaneous determination of concentrations of PM and PM
10 2,5
emissions. The method is designed for in-stack measurements at stationary emission sources with possible
reactive gases and/or high water vapour.
The contribution of stationary source emissions to PM and PM concentrations in ambient air is classified
10 2,5
as primary and secondary. Those emissions that exist as particulate matter within the stack gas and that are
emitted directly to air can be considered “primary”. Secondary particulate consists of those emissions that
form in ambient air due to atmospheric chemical reactions. The measurement technique in this International
Standard does not measure the contribution of stack emissions to the formation of secondary particulate
matter in ambient air.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 13271:2012(E)
Stationary source emissions — Determination of PM /PM
10 2,5
mass concentration in flue gas — Measurement at higher
concentrations by use of virtual impactors
1 Scope
This International Standard specifies a standard reference method for the determination of PM and PM
10 2,5
mass concentrations at stationary emission sources by use of two-stage virtual impactors. The measurement
method is especially suitable for in-stack measurements of particle mass concentrations in flue gas. The
method can also be used for flue gas which contains highly reactive compounds (e.g. sulfur, chlorine, nitric
acid) at high temperature or in the presence of high humidity.
The International Standard is applicable to higher dust concentrations. Coarse particles are separated into the
nozzles with negligible rebound and entrainment phenomena of collected coarse particulates. For the same
reason, the artefacts due to high concentrations in gases or emissions are quite limited.
This International Standard is not applicable to the determination of the total mass concentration of dust.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced document
(including any amendments) applies.
ISO 12141, Stationary source emissions — Determination of mass concentration of particulate matter (dust) at
low concentrations — Manual gravimetric method
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
3.1
aerodynamic diameter
3
diameter of a sphere of density 1 g/cm with the same terminal velocity due to gravitational force in calm air as
the particle under prevailing conditions of temperature, pressure, and relative humidity
[1]
NOTE Adapted from ISO 7708:1995, 2.2.
3.2
backup filter
plane filter used for collection of the PM particle fraction
2,5
[7]
[ISO 23210:2009, 3.2.3]
3.3
collection filter
plane filter used for coarse particle collection
3.4
Cunningham factor
correction factor taking into account the change in the interaction between particles and the gas phase
[7]
[ISO 23210:2009, 3.1.7]
NOTE See A.2.
© ISO 2012 – All rights reserved 1
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ISO 13271:2012(E)
3.5
cut-off diameter
aerodynamic diameter where the separation efficiency of the impactor stage is 50 %
[7]
[ISO 23210:2009, 3.1.2]
NOTE Particle separation with real impactors is not ideal and exhibits separation curves similar to the example
shown in Figure 1.
Key
A
separation efficiency 1 ideal
d aerodynamic diameter 2 real
ae
Figure 1 — Separation efficiency A of an impactor as a function of aerodynamic diameter d
ae
[7]
(adapted from ISO 23210:2009, Figure 2)
3.6
filter holder
substrate holder designed to hold a filter and for which only the filter deposit is analysed (weighed)
[4]
[ISO 15767:2009, 2.4]
3.7
measurement plane
sampling plane
plane normal to the centreline of the duct at the sampling position
[7]
[ISO 23210:2009, 3.3.3]
3.8
measurement section
region of the waste gas duct which includes the measurement plane(s) and the inlet and outlet sections
[7]
[ISO 23210:2009, 3.3.2]
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ISO 13271:2012(E)
3.9
measurement site
sampling site
place on the flue gas duct in the area of the measurement plane(s) consisting of structures and technical equipment
NOTE The measurement site consists, for example, of working platforms, measurement ports and energy supply.
[7]
[ISO 23210:2009, 3.3.1]
3.10
PM
2,5
particles which pass through size-selective nozzles with 50 % efficiency cut-off at 2,5 µm aerodynamic diameter
[1]
NOTE PM corresponds to the “high risk respirable convention” as defined in ISO 7708:1995, 7.1.
2,5
[7]
[ISO 23210:2009, 3.1.4]
3.11
PM
10
particles which pass through size-selective nozzles with 50 % efficiency cut-off at 10 µm aerodynamic diameter
[1]
NOTE PM corresponds to the “thoracic convention” as defined in ISO 7708:1995, Clause 6.
10
[7]
[ISO 23210:2009, 3.1.3]
3.12
Reynolds number
Re
ρvl
Re =
η
where
ρ is the mass density;
v is the gas velocity in the particle acceleration nozzle;
l is the length;
η is the dynamic viscosity.
[8]
NOTE 1 Adapted from ISO 80000-11:2008, 11-4.1.
NOTE 2 “Dimensionless” parameter (parameter of dimension 1) describing flow conditions.
3.13
Stokes’s number
St
2
ρ dC v
0,Pae m
St =
9ηD
0
where
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ISO 13271:2012(E)
3
ρ is the particle density (1 g/cm );
0,P
d is the aerodynamic diameter (m);
ae
C is the Cunningham factor;
m
v is the gas velocity in the particle acceleration nozzle (m/s);
η is the dynamic viscosity of the gas (Pa s);
D is the particle acceleration nozzle diameter (m).
0
[7]
NOTE 1 Adapted from ISO 23210:2009, B.2.
NOTE 2 An instrument-specific “dimensionless” parameter (parameter of dimension 1) describing a measure of the
inertial movement of a particle in gas stream near an obstacle.
3.14
particle acceleration nozzle
acceleration nozzle used for accelerating particle-laden gas before separation takes place in the particle
collection nozzle
3.15
particle collection nozzle
collection nozzle used for coarse-particle separation
4 Symbols and abbreviated terms
4.1 Symbols
A separation efficiency
C Cunningham factor
m
D particle acceleration nozzle diameter
0
D particle collection nozzle diameter
1
d aerodynamic diameter
ae
d internal diameter of the entry nozzle
entry
d cut-off diameter
50
i series element number, i = 1,2,3,…m, or a subscript to identify the particle fraction (i =
2,5 µm, 10 µm)
j series element number, j = 1,2,3,…n
l impactor nozzle length
0
m particle mass on the backup filter
BF
m particle mass on the collection filter of the second separation stage
CF2
N number of impactor nozzles
n number of measurement pairs
p ambient pressure at the measurement site
amb
p standard pressure
n
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ISO 13271:2012(E)
p difference between the static pressure in the measurement cross-section and the
st
atmospheric pressure at the measurement site
q volume flow rate at operating conditions
V
q volume flow rate under standard conditions and for dry gas
Vn
q volume flow rates per nozzle at operating conditions for total flow
V0
q volume flow rates per nozzle at operating conditions for minor flow
V1
q volume flow rates per nozzle at operating conditions for major flow
V2
Re Reynolds number
St Stokes’s number in relation to the cut-off diameter d
50 50
s distance between the end of the particle acceleration nozzle and the top of the particle
collection nozzle
T gas temperature
T standard temperature
n
u(g) standard uncertainty of paired measurements
v gas velocity at particle acceleration nozzle
v flue gas velocity
fg
V sample volume under standard conditions and for dry gas
n
mass concentration of water vapour under standard conditions and with dry gas
γ
n,HO,v
2
g(PM ) concentration of PM
2,5 2,5
g(PM ) concentration of PM
10 10
g ith concentration value of the first measuring system
1,i
g ith concentration value of the second measuring system
2,i
η
dynamic viscosity of the gas
ρ density of water vapour under standard conditions
n,HO,v
2
3
ρ particle density (1 g/cm )
0,P
ξ
minor flow ratio at impactor stage
4.2 Abbreviated terms
BF backup filter
CF1 collection filter of the first separation stage
CF2 collection filter of the second separation stage
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ISO 13271:2012(E)
5 Principle
5.1 General
In particle measurements, the following three relevant physical characteristics can be distinguished:
— mass concentration (e.g. total dust, PM , PM ) and distribution of mass fractions;
10 2,5
— particle number concentration and particle size distribution by number;
— morphology of particles (e.g. shape, colour, optical properties).
The PM and PM mass concentrations are determined by size-selective separation of gas-borne particles
10 2,5
by use of the different inertia of particles.
This International Standard specifies a measurement method for the determination of PM and PM for higher
10 2,5
mass concentrations using two-stage virtual impactors based on the principle of gas stream separation without
impaction plates, and with negligible rebound and entrainment phenomena of collected coarse particulates.
5.2 Theory of virtual impactor
Size separation by a virtual impactor stage is based on the inertia of accelerated and decelerated particles in a
gas flow. The principle of operation of a separation stage and the major parameters governing the performance
are shown in Figure 2.
The separation stage consists in its basic configuration, of coaxially oriented particle acceleration and collection
nozzles whose diameters are designated D and D , respectively (see Figure 2). The particle-laden gas enters
0 1
the nozzles and accelerates depending on D and the total flow rate, and part of the stream is directed to
0
the particle collection nozzles. Flow rate through particle collection nozzles, which is called minor flow rate,
is approximately 10 % of the total flow rate. The major fraction or major flow is redirected and bypasses
the particle collection nozzles. Consequently, particles above a certain aerodynamic size (cut-off size) are
entrained in the minor flow received by the particle collection nozzles and are collected on a filter. Fine particles
smaller than this cut-off size stay in the major stream and are directed into the next separation stage.
The performance of a separation stage is characterized by a separation efficiency curve. Due to the specific
characteristics of this separation process, there is always a residue of particles larger than the minor flow cut-
off size and particles smaller than major flow cut-off.
A separation stage is specified with the cut-off diameter, d . For particles with this aerodynamic diameter, the
50
separation efficiency of the impactor stage is 50 %. Formula (1) is used to calculate the cut-off diameter, d :
50
3
9πSt ηD
50 0
d = (1)
50
4ρ Cq
00,P m V
where
St is the Stokes’s number in relation to the cut-off diameter, d , an instrument-specific quantity;
50
50
η is the dynamic viscosity of the gas;
is the total volume flow rate per nozzle under operating conditions;
q
V0
is the particle acceleration nozzle diameter;
D
0
3
is the particle density (1 g/cm ) (the inertial cut-off diameter is given in terms of an aerodynamic
ρ
0,P
diameter);
C is the Cunningham factor.
m
The following conditions apply to the design and to the application of Formula (1):
a) for the design of the separation stages, the value of the St shall be chosen (Reference [10]) to be
50
6 © ISO 2012 – All rights reserved
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ISO 13271:2012(E)
0,4 ≤ St ≤ 0,5
50
b) the ratio of distance between the end of the particle acceleration nozzle and the top of the particle collection
nozzle, s, to the particle acceleration nozzle diameter, D , shall be
0
0,8 < s/D < 2
0
c) the ratio of particle acceleration nozzle length, l , to particle acceleration nozzle diameter, D , shall be
0 0
l /D < 2,5
0 0
d) the ratio of particle collection nozzle diameter, D , to particle acceleration nozzle diameter, D , shall be
1 0
D /D ≈ 1,33
1 0
e) Reynolds number, Re, of the gas flow in the particle acceleration nozzle shall be in the region of laminar flow
100 < Re < 3 000
Key
1 particle acceleration nozzle D particle acceleration nozzle diameter
0
2 particle collection nozzle D particle collection nozzle diameter
1
3 trajectory of fine particles to be measured l impactor nozzle length
0
4 trajectory of coarse particles s distance between the end of the particle acceleration nozzle
and the top of the particle collection nozzle
5 stream lines
q total flow rate
V0
q minor flow rate
V1
q major flow rate
V2
Figure 2 — Principle of the virtual impactor
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ISO 13271:2012(E)
6 Specification of the two-stage virtual impactor
6.1 General
This International Standard specifies a two-stage virtual impactor for the determination of PM and PM
10 2,5
mass concentrations (Reference [10]).
A two-stage virtual impactor consists of two separation stages. The first stage separates the largest particles
using a particle collection nozzle. The coarse particles are collected on a plane filter. Smaller particles reach
the following stage.
The two-stage virtual impactor divides the particles into the following three fractions:
a) particles with aerodynamic diameters greater than 10 µm (first separation stage);
b) particles with aerodynamic diameters between 10 µm and 2,5 µm (second separation stage);
c) particles with aerodynamic diameters smaller than 2,5 µm (backup filter).
The PM mass corresponds to fraction c) and the PM mass corresponds to the sum of fractions b) and c).
2,5 10
The fraction with aerodynamic diameters greater than 10 µm is not used for the PM and PM data evaluation.
10 2,5
6.2 Separation curves
The separation curves of PM and PM emission measurements shall correspond to the separation curves
10 2,5
[1]
for PM and PM ambient air quality measurements specified in ISO 7708 for the corresponding particle
10 2,5
diameters (see Figure 3). The virtual impactor separation stages for PM and PM shall be designed in
10 2,5
such a way that the separation curves of PM and PM stages meet the requirements of the separation
10 2,5
efficiencies specified in Table 1. The permissible deviations specified in Table 1 are absolute percentages
[1]
relating to the separation efficiencies specified in ISO 7708.
Key
A separation efficiency 1 high-risk respirable convention (PM )
2,5
d aerodynamic diameter 2 thoracic convention (PM )
ae 10
[1]
Figure 3 — Separation curves of PM and PM specified in ISO 7708
10 2,5
8 © ISO 2012 – All rights reserved
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ISO 13271:2012(E)
Table 1 — Separation efficiency for the virtual impactor stage with permissible deviation
Particle diameter PM stage PM stage
10 2,5
>3 µm Permissible deviation of ±10 %
<3 µm Permissible deviation of ±15 %
>1,5 µm Permissible deviation of ±10 %
<1,5 µm Permissible deviation of ±20 %
6.3 Verification of the separation curves
The separation characteristics of a virtual impactor design shall be evaluated for each stage by the manufacturer
in order to prove that the performance criteria specified in 6.2 are met. The validation shall be carried out by a
testing laboratory operating an internationally recognized quality management system.
[5]
NOTE Requirements for testing laboratories are specified, for example, in ISO/IEC 17025.
The separation efficiency of the virtual impactor shall be determined by performing experiments for each stage
with a mostly monodisperse aerosol, e.g. oleic acid, poly(alpha-olefin) or dioctyl phthalate (References [10]–
[12]), polystyrene latex (Reference [13]) or glass spheres (Reference [14]) of different diameters in the range of
1 µm to 20 µm. Aerosol generation shall be performed using mechanical or electrical power-assisted methods
(see Annex H).
For the PM stage, tests with at least six different particle diameters between 1 µm and 10 µm shall be
2,5
performed. For the PM stage, tests with at least six different particle diameters between 2 µm and 20 µm
10
shall be performed. In both cases, the particle diameters shall be distributed over the full range about the cut-
off diameter. One of these particle diameters shall be as close as possible to the cut-off diameter.
The values of the Stokes’s number St for the 2,5 µm and 10 µm stages of the impactor under examination in
50
relation to the cut-off diameter shall be calculated on the basis of the experimental data and Formula (1).
The separation efficiencies and the values of the Stokes’s number determined shall be reported.
6.4 Operating conditions
6.4.1 General considerations
To meet the given cut-off limits of 10 µm and 2,5 µm particle diameters, the impactor shall be operated with a
constant sample volume flow rate, to be previously determined. For a given virtual impactor design, the volume
flow rate depends only on the flue gas conditions and is calculated as specified in 6.4.2 and 6.4.3.
6.4.2 Variables to calculate the sample volume flow rate of the impactor
The following variables are required for the calculation of sample volume flow rate:
a) gas composition;
b) gas conditions;
c) gas velocity.
© ISO 2012 – All rights reserved 9
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ISO 13271:2012(E)
6.4.3 Sample and suction volume flow rate
The required total volume flow rate of each stage, q , under operating conditions, is calculated by Formula (2):
Vi
9πDStNη
05,,ii0 i
q = (2)
Vi
2
4dC ρ
50,,iim,0P
where
i identifies the particle fraction (i = 2,5 µm, 10 µm);
D is the impactor nozzle diameter (constant);
0,i
St is the Stokes’s number (constant);
50
η is the viscosity of the gas;
N is the number of impactor nozzles (constant);
i
d is the cut-off particle diameter (50 % value of separation at the nozzle; constant);
50,i
C is the Cunningham factor of particle fraction i;
m,i
3
ρ is the particle density (1 g/cm ).
0,P
The volume flow rates of both stages are calculated separately. The sample volume flow rate, q , in a two-stage
V
virtual impactor has the following relationship:
q = q (3)
V V,10 µm
The volume flow rates of the suction lines of a two-stage virtual impactor are illustrated in Figure 4 and can be
simplified as in Formulae (4)–(6):
Inlet flow
q =q
V V,10µm
Suction flow
q N =q
V1,10µm 10 µm V, CF1
PM stage
10
q Inlet flow
V,2,5µm
Suction flow
q N =q
V 2,5µm V, CF2
PM stage 1,2,5µm
2,5
q N =q
V 2,2,5µm 2,5µm V, BF
Suction flow
Figure 4 — Schematic of volume flow rates in two-stage virtual impactor
q = x q = q - q (4)
V,CF1 10 µm V,10 µm V,10 µm V,2,5 µm
q = x q (5)
V,CF2 2,5 µm V,2,5 µm
q = (1 - x )q (6)
V,BF 2,5 µm V,2,5 µm
where
q
is the sample volume flow rate;
V
10 © ISO 2012 – All rights reserved
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ISO 13271:2012(E)
q is the inlet volume flow rate of PM stage;
V,2,5 µm 2,5
q is the suction volume flow rate of PM stage;
V,CF1 10
q , is the suction volume flow rate of PM stage;
V CF2 2,5
q is the suction volume flow rate of the backup filter;
V,BF
q is the minor flow through nozzle of PM stage;
V1,10 µm 10
N is the number of impactor nozzles on PM stage;
10 µm 10
q is the minor flow rate through nozzle of PM stage;
V1,2,5 µm 2,5
N is t
...
SLOVENSKI STANDARD
SIST ISO 13271:2013
01-april-2013
(PLVLMHQHSUHPLþQLKYLURY'RORþHYDQMHPDVQHNRQFHQWUDFLMH3030Y
RGSDGQLKSOLQLK0HULWYHSULYHþMLKNRQFHQWUDFLMDK]XSRUDERLPSDNWRUMHY
Stationary source emissions - Determination of PM10/PM2,5 mass concentration in flue
gas - Measurement at higher concentrations by use of virtual impactors
Émissions de sources fixes - Détermination de la concentration en masse de
PM10/PM2,5 dans les effluents gazeux - Mesurage à des hautes concentrations à l'aide
des impacteurs virtuels
Ta slovenski standard je istoveten z: ISO 13271:2012
ICS:
13.040.40 (PLVLMHQHSUHPLþQLKYLURY Stationary source emissions
SIST ISO 13271:2013 en,fr
2003-01.Slovenski inštitut za standardizacijo. Razmnoževanje celote ali delov tega standarda ni dovoljeno.
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SIST ISO 13271:2013
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SIST ISO 13271:2013
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 13271
First edition
2012-06-15
Stationary source emissions —
Determination of PM /PM
10 2,5
mass concentration in flue gas —
Measurement at higher concentrations
by use of virtual impactors
Émissions de sources fixes — Détermination de la concentration en
masse de PM PM dans les effluents gazeux — Mesurage à des
10/ 2,5
hautes concentrations à l’aide des impacteurs virtuels
Reference number
ISO 13271:2012(E)
©
ISO 2012
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SIST ISO 13271:2013
ISO 13271:2012(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2012
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member body in the country of the requester.
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Published in Switzerland
ii © ISO 2012 – All rights reserved
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SIST ISO 13271:2013
ISO 13271:2012(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction . v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Symbols and abbreviated terms . 4
4.1 Symbols . 4
4.2 Abbreviated terms . 5
5 Principle . 6
5.1 General . 6
5.2 Theory of virtual impactor . 6
6 Specification of the two-stage virtual impactor . 8
6.1 General . 8
6.2 Separation curves . 8
6.3 Verification of the separation curves . 9
6.4 Operating conditions . 9
7 Sampling train .12
7.1 Measuring setup .12
7.2 Equipment and working materials .13
8 Preparation, measurement procedure and post-treatment .15
8.1 General .15
8.2 Pre-treatment .15
8.3 Measurement procedure .16
8.4 Weighing procedure .17
8.5 Post-sampling treatment of weighed parts .18
9 Calculation of the results .18
10 Performance characteristics .19
10.1 Virtual impactor load .19
10.2 Detection limit .19
10.3 Measurement uncertainty .19
10.4 Particle losses .19
11 Test report .20
Annex A (informative) Physical property estimation for the calculation of sample volume flow rate .21
Annex B (informative) Errors by deviations from isokinetic sampling .25
Annex C (informative) Example of a two-stage virtual impactor .27
Annex D (informative) Influence of variations in the flue gas temperature and flue gas composition on
the Reynolds number .31
Annex E (informative) Entry nozzle .34
Annex F (informative) Equipment list .35
Annex G (normative) Determination of a representative sampling point .37
Annex H (informative) Generation of standard aerosol for virtual impactor calibration .39
Bibliography .40
© ISO 2012 – All rights reserved iii
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SIST ISO 13271:2013
ISO 13271:2012(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the International
Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 13271 was prepared by Technical Committee ISO/TC 146, Air quality, Subcommittee SC 1, Stationary
source emissions.
iv © ISO 2012 – All rights reserved
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SIST ISO 13271:2013
ISO 13271:2012(E)
Introduction
In order to quantify the amount of PM and PM particles in stationary source emissions or to identify the
10 2,5
contribution sources of PM and PM in ambient air, it is necessary to measure fine particulate matter in the
10 2,5
flue gas of industrial sources.
This International Standard describes a measurement method for determination of mass concentrations of
[1]
PM and PM emissions, which realizes the same separation curves as those specified in ISO 7708 for
10 2,5
PM and PM in ambient air. The method is based on the principle of gas stream separation using two-stage
10 2,5
virtual impactors. This is applicable to higher dust concentrations than the concentrations used for cascade
impactors with impaction plates.
The measurement method allows the simultaneous determination of concentrations of PM and PM
10 2,5
emissions. The method is designed for in-stack measurements at stationary emission sources with possible
reactive gases and/or high water vapour.
The contribution of stationary source emissions to PM and PM concentrations in ambient air is classified
10 2,5
as primary and secondary. Those emissions that exist as particulate matter within the stack gas and that are
emitted directly to air can be considered “primary”. Secondary particulate consists of those emissions that
form in ambient air due to atmospheric chemical reactions. The measurement technique in this International
Standard does not measure the contribution of stack emissions to the formation of secondary particulate
matter in ambient air.
© ISO 2012 – All rights reserved v
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SIST ISO 13271:2013
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SIST ISO 13271:2013
INTERNATIONAL STANDARD ISO 13271:2012(E)
Stationary source emissions — Determination of PM /PM
10 2,5
mass concentration in flue gas — Measurement at higher
concentrations by use of virtual impactors
1 Scope
This International Standard specifies a standard reference method for the determination of PM and PM
10 2,5
mass concentrations at stationary emission sources by use of two-stage virtual impactors. The measurement
method is especially suitable for in-stack measurements of particle mass concentrations in flue gas. The
method can also be used for flue gas which contains highly reactive compounds (e.g. sulfur, chlorine, nitric
acid) at high temperature or in the presence of high humidity.
The International Standard is applicable to higher dust concentrations. Coarse particles are separated into the
nozzles with negligible rebound and entrainment phenomena of collected coarse particulates. For the same
reason, the artefacts due to high concentrations in gases or emissions are quite limited.
This International Standard is not applicable to the determination of the total mass concentration of dust.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced document
(including any amendments) applies.
ISO 12141, Stationary source emissions — Determination of mass concentration of particulate matter (dust) at
low concentrations — Manual gravimetric method
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
3.1
aerodynamic diameter
3
diameter of a sphere of density 1 g/cm with the same terminal velocity due to gravitational force in calm air as
the particle under prevailing conditions of temperature, pressure, and relative humidity
[1]
NOTE Adapted from ISO 7708:1995, 2.2.
3.2
backup filter
plane filter used for collection of the PM particle fraction
2,5
[7]
[ISO 23210:2009, 3.2.3]
3.3
collection filter
plane filter used for coarse particle collection
3.4
Cunningham factor
correction factor taking into account the change in the interaction between particles and the gas phase
[7]
[ISO 23210:2009, 3.1.7]
NOTE See A.2.
© ISO 2012 – All rights reserved 1
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SIST ISO 13271:2013
ISO 13271:2012(E)
3.5
cut-off diameter
aerodynamic diameter where the separation efficiency of the impactor stage is 50 %
[7]
[ISO 23210:2009, 3.1.2]
NOTE Particle separation with real impactors is not ideal and exhibits separation curves similar to the example
shown in Figure 1.
Key
A
separation efficiency 1 ideal
d aerodynamic diameter 2 real
ae
Figure 1 — Separation efficiency A of an impactor as a function of aerodynamic diameter d
ae
[7]
(adapted from ISO 23210:2009, Figure 2)
3.6
filter holder
substrate holder designed to hold a filter and for which only the filter deposit is analysed (weighed)
[4]
[ISO 15767:2009, 2.4]
3.7
measurement plane
sampling plane
plane normal to the centreline of the duct at the sampling position
[7]
[ISO 23210:2009, 3.3.3]
3.8
measurement section
region of the waste gas duct which includes the measurement plane(s) and the inlet and outlet sections
[7]
[ISO 23210:2009, 3.3.2]
2 © ISO 2012 – All rights reserved
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ISO 13271:2012(E)
3.9
measurement site
sampling site
place on the flue gas duct in the area of the measurement plane(s) consisting of structures and technical equipment
NOTE The measurement site consists, for example, of working platforms, measurement ports and energy supply.
[7]
[ISO 23210:2009, 3.3.1]
3.10
PM
2,5
particles which pass through size-selective nozzles with 50 % efficiency cut-off at 2,5 µm aerodynamic diameter
[1]
NOTE PM corresponds to the “high risk respirable convention” as defined in ISO 7708:1995, 7.1.
2,5
[7]
[ISO 23210:2009, 3.1.4]
3.11
PM
10
particles which pass through size-selective nozzles with 50 % efficiency cut-off at 10 µm aerodynamic diameter
[1]
NOTE PM corresponds to the “thoracic convention” as defined in ISO 7708:1995, Clause 6.
10
[7]
[ISO 23210:2009, 3.1.3]
3.12
Reynolds number
Re
ρvl
Re =
η
where
ρ is the mass density;
v is the gas velocity in the particle acceleration nozzle;
l is the length;
η is the dynamic viscosity.
[8]
NOTE 1 Adapted from ISO 80000-11:2008, 11-4.1.
NOTE 2 “Dimensionless” parameter (parameter of dimension 1) describing flow conditions.
3.13
Stokes’s number
St
2
ρ dC v
0,Pae m
St =
9ηD
0
where
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ISO 13271:2012(E)
3
ρ is the particle density (1 g/cm );
0,P
d is the aerodynamic diameter (m);
ae
C is the Cunningham factor;
m
v is the gas velocity in the particle acceleration nozzle (m/s);
η is the dynamic viscosity of the gas (Pa s);
D is the particle acceleration nozzle diameter (m).
0
[7]
NOTE 1 Adapted from ISO 23210:2009, B.2.
NOTE 2 An instrument-specific “dimensionless” parameter (parameter of dimension 1) describing a measure of the
inertial movement of a particle in gas stream near an obstacle.
3.14
particle acceleration nozzle
acceleration nozzle used for accelerating particle-laden gas before separation takes place in the particle
collection nozzle
3.15
particle collection nozzle
collection nozzle used for coarse-particle separation
4 Symbols and abbreviated terms
4.1 Symbols
A separation efficiency
C Cunningham factor
m
D particle acceleration nozzle diameter
0
D particle collection nozzle diameter
1
d aerodynamic diameter
ae
d internal diameter of the entry nozzle
entry
d cut-off diameter
50
i series element number, i = 1,2,3,…m, or a subscript to identify the particle fraction (i =
2,5 µm, 10 µm)
j series element number, j = 1,2,3,…n
l impactor nozzle length
0
m particle mass on the backup filter
BF
m particle mass on the collection filter of the second separation stage
CF2
N number of impactor nozzles
n number of measurement pairs
p ambient pressure at the measurement site
amb
p standard pressure
n
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ISO 13271:2012(E)
p difference between the static pressure in the measurement cross-section and the
st
atmospheric pressure at the measurement site
q volume flow rate at operating conditions
V
q volume flow rate under standard conditions and for dry gas
Vn
q volume flow rates per nozzle at operating conditions for total flow
V0
q volume flow rates per nozzle at operating conditions for minor flow
V1
q volume flow rates per nozzle at operating conditions for major flow
V2
Re Reynolds number
St Stokes’s number in relation to the cut-off diameter d
50 50
s distance between the end of the particle acceleration nozzle and the top of the particle
collection nozzle
T gas temperature
T standard temperature
n
u(g) standard uncertainty of paired measurements
v gas velocity at particle acceleration nozzle
v flue gas velocity
fg
V sample volume under standard conditions and for dry gas
n
mass concentration of water vapour under standard conditions and with dry gas
γ
n,HO,v
2
g(PM ) concentration of PM
2,5 2,5
g(PM ) concentration of PM
10 10
g ith concentration value of the first measuring system
1,i
g ith concentration value of the second measuring system
2,i
η
dynamic viscosity of the gas
ρ density of water vapour under standard conditions
n,HO,v
2
3
ρ particle density (1 g/cm )
0,P
ξ
minor flow ratio at impactor stage
4.2 Abbreviated terms
BF backup filter
CF1 collection filter of the first separation stage
CF2 collection filter of the second separation stage
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ISO 13271:2012(E)
5 Principle
5.1 General
In particle measurements, the following three relevant physical characteristics can be distinguished:
— mass concentration (e.g. total dust, PM , PM ) and distribution of mass fractions;
10 2,5
— particle number concentration and particle size distribution by number;
— morphology of particles (e.g. shape, colour, optical properties).
The PM and PM mass concentrations are determined by size-selective separation of gas-borne particles
10 2,5
by use of the different inertia of particles.
This International Standard specifies a measurement method for the determination of PM and PM for higher
10 2,5
mass concentrations using two-stage virtual impactors based on the principle of gas stream separation without
impaction plates, and with negligible rebound and entrainment phenomena of collected coarse particulates.
5.2 Theory of virtual impactor
Size separation by a virtual impactor stage is based on the inertia of accelerated and decelerated particles in a
gas flow. The principle of operation of a separation stage and the major parameters governing the performance
are shown in Figure 2.
The separation stage consists in its basic configuration, of coaxially oriented particle acceleration and collection
nozzles whose diameters are designated D and D , respectively (see Figure 2). The particle-laden gas enters
0 1
the nozzles and accelerates depending on D and the total flow rate, and part of the stream is directed to
0
the particle collection nozzles. Flow rate through particle collection nozzles, which is called minor flow rate,
is approximately 10 % of the total flow rate. The major fraction or major flow is redirected and bypasses
the particle collection nozzles. Consequently, particles above a certain aerodynamic size (cut-off size) are
entrained in the minor flow received by the particle collection nozzles and are collected on a filter. Fine particles
smaller than this cut-off size stay in the major stream and are directed into the next separation stage.
The performance of a separation stage is characterized by a separation efficiency curve. Due to the specific
characteristics of this separation process, there is always a residue of particles larger than the minor flow cut-
off size and particles smaller than major flow cut-off.
A separation stage is specified with the cut-off diameter, d . For particles with this aerodynamic diameter, the
50
separation efficiency of the impactor stage is 50 %. Formula (1) is used to calculate the cut-off diameter, d :
50
3
9πSt ηD
50 0
d = (1)
50
4ρ Cq
00,P m V
where
St is the Stokes’s number in relation to the cut-off diameter, d , an instrument-specific quantity;
50
50
η is the dynamic viscosity of the gas;
is the total volume flow rate per nozzle under operating conditions;
q
V0
is the particle acceleration nozzle diameter;
D
0
3
is the particle density (1 g/cm ) (the inertial cut-off diameter is given in terms of an aerodynamic
ρ
0,P
diameter);
C is the Cunningham factor.
m
The following conditions apply to the design and to the application of Formula (1):
a) for the design of the separation stages, the value of the St shall be chosen (Reference [10]) to be
50
6 © ISO 2012 – All rights reserved
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SIST ISO 13271:2013
ISO 13271:2012(E)
0,4 ≤ St ≤ 0,5
50
b) the ratio of distance between the end of the particle acceleration nozzle and the top of the particle collection
nozzle, s, to the particle acceleration nozzle diameter, D , shall be
0
0,8 < s/D < 2
0
c) the ratio of particle acceleration nozzle length, l , to particle acceleration nozzle diameter, D , shall be
0 0
l /D < 2,5
0 0
d) the ratio of particle collection nozzle diameter, D , to particle acceleration nozzle diameter, D , shall be
1 0
D /D ≈ 1,33
1 0
e) Reynolds number, Re, of the gas flow in the particle acceleration nozzle shall be in the region of laminar flow
100 < Re < 3 000
Key
1 particle acceleration nozzle D particle acceleration nozzle diameter
0
2 particle collection nozzle D particle collection nozzle diameter
1
3 trajectory of fine particles to be measured l impactor nozzle length
0
4 trajectory of coarse particles s distance between the end of the particle acceleration nozzle
and the top of the particle collection nozzle
5 stream lines
q total flow rate
V0
q minor flow rate
V1
q major flow rate
V2
Figure 2 — Principle of the virtual impactor
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SIST ISO 13271:2013
ISO 13271:2012(E)
6 Specification of the two-stage virtual impactor
6.1 General
This International Standard specifies a two-stage virtual impactor for the determination of PM and PM
10 2,5
mass concentrations (Reference [10]).
A two-stage virtual impactor consists of two separation stages. The first stage separates the largest particles
using a particle collection nozzle. The coarse particles are collected on a plane filter. Smaller particles reach
the following stage.
The two-stage virtual impactor divides the particles into the following three fractions:
a) particles with aerodynamic diameters greater than 10 µm (first separation stage);
b) particles with aerodynamic diameters between 10 µm and 2,5 µm (second separation stage);
c) particles with aerodynamic diameters smaller than 2,5 µm (backup filter).
The PM mass corresponds to fraction c) and the PM mass corresponds to the sum of fractions b) and c).
2,5 10
The fraction with aerodynamic diameters greater than 10 µm is not used for the PM and PM data evaluation.
10 2,5
6.2 Separation curves
The separation curves of PM and PM emission measurements shall correspond to the separation curves
10 2,5
[1]
for PM and PM ambient air quality measurements specified in ISO 7708 for the corresponding particle
10 2,5
diameters (see Figure 3). The virtual impactor separation stages for PM and PM shall be designed in
10 2,5
such a way that the separation curves of PM and PM stages meet the requirements of the separation
10 2,5
efficiencies specified in Table 1. The permissible deviations specified in Table 1 are absolute percentages
[1]
relating to the separation efficiencies specified in ISO 7708.
Key
A separation efficiency 1 high-risk respirable convention (PM )
2,5
d aerodynamic diameter 2 thoracic convention (PM )
ae 10
[1]
Figure 3 — Separation curves of PM and PM specified in ISO 7708
10 2,5
8 © ISO 2012 – All rights reserved
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SIST ISO 13271:2013
ISO 13271:2012(E)
Table 1 — Separation efficiency for the virtual impactor stage with permissible deviation
Particle diameter PM stage PM stage
10 2,5
>3 µm Permissible deviation of ±10 %
<3 µm Permissible deviation of ±15 %
>1,5 µm Permissible deviation of ±10 %
<1,5 µm Permissible deviation of ±20 %
6.3 Verification of the separation curves
The separation characteristics of a virtual impactor design shall be evaluated for each stage by the manufacturer
in order to prove that the performance criteria specified in 6.2 are met. The validation shall be carried out by a
testing laboratory operating an internationally recognized quality management system.
[5]
NOTE Requirements for testing laboratories are specified, for example, in ISO/IEC 17025.
The separation efficiency of the virtual impactor shall be determined by performing experiments for each stage
with a mostly monodisperse aerosol, e.g. oleic acid, poly(alpha-olefin) or dioctyl phthalate (References [10]–
[12]), polystyrene latex (Reference [13]) or glass spheres (Reference [14]) of different diameters in the range of
1 µm to 20 µm. Aerosol generation shall be performed using mechanical or electrical power-assisted methods
(see Annex H).
For the PM stage, tests with at least six different particle diameters between 1 µm and 10 µm shall be
2,5
performed. For the PM stage, tests with at least six different particle diameters between 2 µm and 20 µm
10
shall be performed. In both cases, the particle diameters shall be distributed over the full range about the cut-
off diameter. One of these particle diameters shall be as close as possible to the cut-off diameter.
The values of the Stokes’s number St for the 2,5 µm and 10 µm stages of the impactor under examination in
50
relation to the cut-off diameter shall be calculated on the basis of the experimental data and Formula (1).
The separation efficiencies and the values of the Stokes’s number determined shall be reported.
6.4 Operating conditions
6.4.1 General considerations
To meet the given cut-off limits of 10 µm and 2,5 µm particle diameters, the impactor shall be operated with a
constant sample volume flow rate, to be previously determined. For a given virtual impactor design, the volume
flow rate depends only on the flue gas conditions and is calculated as specified in 6.4.2 and 6.4.3.
6.4.2 Variables to calculate the sample volume flow rate of the impactor
The following variables are required for the calculation of sample volume flow rate:
a) gas composition;
b) gas conditions;
c) gas velocity.
© ISO 2012 – All rights reserved 9
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SIST ISO 13271:2013
ISO 13271:2012(E)
6.4.3 Sample and suction volume flow rate
The required total volume flow rate of each stage, q , under operating conditions, is calculated by Formula (2):
Vi
9πDStNη
05,,ii0 i
q = (2)
Vi
2
4dC ρ
50,,iim,0P
where
i identifies the particle fraction (i = 2,5 µm, 10 µm);
D is the impactor nozzle diameter (constant);
0,i
St is the Stokes’s number (constant);
50
η is the viscosity of the gas;
N is the number of impactor nozzles (constant);
i
d is the cut-off particle diameter (50 % value of separation at the nozzle; constant);
50,i
C is the Cunningham factor of particle fraction i;
m,i
3
ρ is the p
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 13271
Première édition
2012-06-15
Émissions de sources fixes —
Détermination de la concentration en
masse de PM /PM dans les effluents
10 2,5
gazeux — Mesurage à des hautes
concentrations à l’aide des impacteurs
virtuels
Stationary source emissions — Determination of PM /PM mass
10 2,5
concentration in flue gas — Measurement at higher concentrations by
use of virtual impactors
Numéro de référence
ISO 13271:2012(F)
©
ISO 2012
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 13271:2012(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2012
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Publié en Suisse
ii © ISO 2012 – Tous droits réservés
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ISO 13271:2012(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction . v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Symboles et termes abrégés . 4
4.1 Symboles . 4
4.2 Termes abrégés . 6
5 Principe . 6
5.1 Généralités . 6
5.2 Théorie de l’impacteur virtuel . 6
6 Spécification de l’impacteur virtuel à deux étages . 8
6.1 Généralités . 8
6.2 Courbes de séparation . 9
6.3 Vérification des courbes de séparation .10
6.4 Conditions de fonctionnement .10
7 Dispositif de prélèvement .13
7.1 Configuration du mesurage .13
7.2 Équipement et matériaux de travail .14
8 Préparation, mode opératoire de mesurage et post-traitement .16
8.1 Généralités .16
8.2 Prétraitement .16
8.3 Mode opératoire de mesurage .17
8.4 Mode opératoire de pesage .19
8.5 Traitement de post-échantillonnage des parties pesées .19
9 Calcul des résultats .20
10 Caractéristiques de performance .20
10.1 Charge de l’impacteur virtuel .20
10.2 Limite de détection .20
10.3 Incertitude de mesure .20
10.4 Pertes de particules .21
11 Rapport d’essai .21
Annexe A (informative) Estimation des propriétés physiques pour le calcul du débit volumique
de l’échantillon .22
Annexe B (informative) Erreurs dues aux écarts par rapport à l’échantillonnage isocinétique .26
Annexe C (informative) Exemple d’impacteur virtuel à deux étages .28
Annexe D (informative) Influence des variations de température et de composition des effluents gazeux
sur le nombre de Reynolds .32
Annexe E (informative) Buse d’entrée .35
Annexe F (informative) Liste des équipements .36
Annexe G (normative) Détermination d’un point de prélèvement représentatif .38
Annexe H (informative) Production d’aérosols normalisés pour l’étalonnage de l’impacteur virtuel .40
Bibliographie .41
© ISO 2012 – Tous droits réservés iii
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ISO 13271:2012(F)
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est en général confiée aux
comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du comité
technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non gouvernementales,
en liaison avec l’ISO participent également aux travaux. L’ISO collabore étroitement avec la Commission
électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI, Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d’élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur publication
comme Normes internationales requiert l’approbation de 75 % au moins des comités membres votants.
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de droits
de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne pas avoir
identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L’ISO 13271 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 146, Qualité de l’air, sous-comité SC 1, Émissions
de sources fixes.
iv © ISO 2012 – Tous droits réservés
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ISO 13271:2012(F)
Introduction
Pour quantifier la quantité de particules PM et PM dans les émissions de sources fixes ou pour identifier
10 2,5
les sources de contribution de PM et PM dans l’air ambiant, il est nécessaire de mesurer la matière
10 2,5
particulaire fine dans les effluents gazeux de sources industrielles.
La présente Norme internationale décrit une méthode de mesurage pour la détermination des concentrations
massiques en émissions PM et PM , qui utilise les mêmes courbes de séparation que celles spécifiées dans
10 2,5
l’ISO 7708 pour PM et PM dans l’air ambiant. La méthode repose sur le principe de séparation des effluents
10 2,5
gazeux à l’aide d’impacteurs virtuels à deux étages. Elle est applicable à des concentrations en poussière
supérieures aux concentrations utilisées pour les impacteurs en cascade équipés de plaques d’impaction.
La méthode de mesurage permet de déterminer simultanément les concentrations en émissions PM et PM .
10 2,5
La méthode est conçue pour réaliser des mesurages dans le conduit de PM et PM , pour les émissions de
10 2,5
sources fixes, coexistant avec d’éventuels gaz réactifs et/ou de la vapeur d’eau présente à forte teneur.
La contribution des émissions de sources fixes aux concentrations en PM et PM dans l’air ambiant est
10 2,5
classée en deux catégories: primaire et secondaire. Les émissions qui se trouvent sous la forme de matières
particulaires dans le gaz de combustion et qui sont directement émises dans l’air peuvent être considérées
comme «primaires». Les particules secondaires regroupent les émissions qui se forment dans l’air ambiant en
raison de réactions chimiques atmosphériques. La technique de mesurage décrite dans la présente Norme
internationale ne mesure pas la contribution des émissions de gaz de combustion à la formation de matières
particulaires secondaires dans l’air ambiant.
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NORME INTERNATIONALE ISO 13271:2012(F)
Émissions de sources fixes — Détermination de la
concentration en masse de PM /PM dans les effluents
10 2,5
gazeux — Mesurage à des hautes concentrations à l’aide des
impacteurs virtuels
1 Domaine d’application
La présente Norme internationale spécifie une méthode normalisée de référence pour la détermination des
concentrations massiques en PM et PM issues de sources fixes d’émissions à l’aide d’impacteurs virtuels
10 2,5
à deux étages. La méthode de mesurage convient particulièrement aux mesurages dans le conduit des
concentrations massiques particulaires dans les effluents gazeux. La méthode peut également être utilisée
pour les effluents gazeux contenant des composés hautement réactifs (par exemple soufre, chlore, acide
nitrique), à haute température ou en présence d’une forte humidité.
La présente Norme internationale est applicable à des concentrations en poussière élevées. Les particules
grossières sont séparées dans les buses par des phénomènes négligeables de rebond et d’entraînement des
particules grossières collectées. Pour la même raison, les artéfacts dus à des concentrations élevées en gaz
ou en émissions sont relativement limités.
La présente Norme internationale n’est pas applicable pour la détermination de la concentration massique en
poussière totale.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l’application du présent document. Pour les
références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s’applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 12141, Émissions de sources fixes — Détermination d’une faible concentration en masse de matières
particulaires (poussières) — Méthode gravimétrique manuelle
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.
3.1
diamètre aérodynamique
3
diamètre d’une sphère de masse volumique 1 g/cm possédant la même vitesse terminale de chute dans l’air
calme liée à la pesanteur que celle de la particule, dans les mêmes conditions de température, de pression et
d’humidité relative
[1]
NOTE Adapté de l’ISO 7708:1995 , 2.2.
3.2
filtre secondaire
filtre plan utilisé pour collecter la fraction de particules PM
2,5
[7]
[ISO 23210:2009 , 3.2.3]
3.3
filtre de collecte
filtre plan utilisé pour collecter les particules grossières
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ISO 13271:2012(F)
3.4
facteur de Cunningham
facteur de correction tenant compte du changement d’interaction entre les particules et la phase gazeuse
[7]
[ISO 23210:2009 , 3.1.7]
NOTE Voir A.2.
3.5
diamètre de coupure
diamètre aérodynamique pour lequel l’efficacité de séparation de l’étage de l’impacteur est de 50 %
[7]
[ISO 23210:2009 , 3.1.2]
NOTE La séparation des particules à l’aide d’impacteurs réels n’est pas idéale et donne des courbes de séparation
similaires à celles présentées dans l’exemple de la Figure 1.
Légende
A efficacité de séparation 1 idéale
d diamètre aérodynamique 2 réelle
ae
Figure 1 — Efficacité de séparation A d’un impacteur en fonction du diamètre aérodynamique d
ae
[7]
(adapté de l’ISO 23210:2009 , Figure 2)
3.6
porte-filtre
porte-substrat conçu pour retenir un filtre et pour lequel seul le dépôt sur le filtre est analysé (pesé)
[4]
[ISO 15767:2009 , 2.4]
3.7
plan de mesurage
plan d’échantillonnage
plan perpendiculaire à l’axe du conduit à la position d’échantillonnage
[7]
[ISO 23210:2009 , 3.3.3]
2 © ISO 2012 – Tous droits réservés
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ISO 13271:2012(F)
3.8
section de mesurage
zone du conduit d’effluents gazeux comprenant le ou les plan(s) de mesurage ainsi que l’aire des sections
droites des orifices d’entrée et de sortie
[7]
[ISO 23210:2009 , 3.3.2]
3.9
site de mesurage
site d’échantillonnage
emplacement situé sur le conduit d’effluents gazeux dans la zone du ou des plan(s) de mesurage comprenant
des structures et des équipements techniques
NOTE Le site de mesurage est composé par exemple de plates-formes de travail, d’orifices de mesurage et d’une
alimentation en énergie.
[7]
[ISO 23210:2009 , 3.3.1]
3.10
PM
2,5
particules traversant une entrée sélective en taille de particules, avec une efficacité de coupure de 50 % pour
un diamètre aérodynamique de 2,5 µm
[1]
NOTE PM correspond à la «convention alvéolaire à haut risque» telle qu’elle est définie dans l’ISO 7708:1995 , 7.1.
2,5
[7]
[ISO 23210:2009 , 3.1.4]
3.11
PM
10
particules traversant une entrée sélective en taille de particules, avec une efficacité de coupure de 50 % pour
un diamètre aérodynamique de 10 µm
[1]
NOTE PM correspond à la «convention thoracique» telle qu’elle est définie dans l’ISO 7708:1995 , Article 6.
10
[7]
[ISO 23210:2009 , 3.1.3]
3.12
nombre de Reynolds
Re
ρvl
Re =
η
où
ρ est la masse volumique;
v est la vitesse du gaz dans la buse d’accélération des particules;
l est la longueur;
η est la viscosité dynamique.
[8]
NOTE 1 Adapté de l’ISO 80000-11:2008 , 11-4.1.
NOTE 2 Paramètre «sans dimension» (paramètre de dimension 1) décrivant le régime d’écoulement.
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ISO 13271:2012(F)
3.13
nombre de Stokes
St
2
ρ dC v
0,Pae m
St =
9ηD
0
où
3
ρ est la masse volumique des particules (1 g/cm );
0,P
d est le diamètre aérodynamique (m);
ae
C est le facteur de Cunningham;
m
v est la vitesse du gaz dans la buse d’accélération des particules (m/s);
η est la viscosité dynamique du gaz (Pa s);
D est le diamètre de la buse d’accélération des particules (m).
0
[7]
NOTE 1 Adapté de l’ISO 23210:2009 , B.2.
NOTE 2 Paramètre «sans dimension» (paramètre de dimension 1) relatif à l’appareillage décrivant une mesure du
mouvement d’inertie d’une particule dans un effluent gazeux à proximité d’un obstacle.
3.14
buse d’accélération des particules
buse d’accélération utilisée pour accélérer le gaz chargé en particules avant que la séparation n’ait lieu dans
la buse de collecte des particules
3.15
buse de collecte des particules
buse de collecte utilisée pour séparer les particules grossières
4 Symboles et termes abrégés
4.1 Symboles
A efficacité de séparation
C facteur de Cunningham
m
D diamètre de la buse d’accélération des particules
0
D diamètre de la buse de collecte des particules
1
d diamètre aérodynamique
ae
d diamètre interne de la buse d’entrée
entry
d diamètre de coupure
50
i
nombre élémentaire de la série, i = 1,2,3,…m, ou indice d’identification de la fraction particulaire
(i = 2,5 µm, 10 µm)
j
nombre élémentaire de la série, j = 1,2,3,…n
l longueur de buse de l’impacteur
0
m masse des particules sur le filtre secondaire
BF
m masse des particules sur le filtre de collecte du deuxième étage de séparation
CF2
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ISO 13271:2012(F)
N nombre de buses de l’impacteur
n nombre de paires de mesurages
p pression ambiante sur le site de mesurage
amb
p pression normale
n
p différence entre la pression statique dans la section transversale de mesurage et la pression
st
atmosphérique sur le site de mesurage
q débit volumique dans les conditions de fonctionnement
V
q débit volumique dans des conditions normales et pour du gaz sec
Vn
q débits volumiques par buse dans les conditions de fonctionnement pour le débit total
V0
q débits volumiques par buse dans les conditions de fonctionnement pour l’écoulement mineur
V1
q débits volumiques par buse dans les conditions de fonctionnement pour l’écoulement majeur
V2
Re nombre de Reynolds
St nombre de Stokes en fonction du diamètre de coupure d
50 50
s distance entre l’extrémité de la buse d’accélération des particules et le sommet de la buse de
collecte des particules
T température du gaz
T température normale
n
u(g) incertitude-type des paires de mesurages
v vitesse du gaz dans la buse d’accélération des particules
v vitesse des effluents gazeux
fg
V volume d’échantillon dans des conditions normales et pour du gaz sec
n
concentration massique en vapeur d’eau dans des conditions normales et avec du gaz sec
γ
n,HO,v
2
g(PM ) concentration en PM
2,5 2,5
g(PM ) concentration en PM
10 10
g ième valeur de concentration du premier système de mesurage
1,i
g ième valeur de concentration du deuxième système de mesurage
2,i
η viscosité dynamique du gaz
ρ masse volumique de la vapeur d’eau dans des conditions normales
n,HO,v
2
3
ρ masse volumique des particules (1 g/cm )
0,P
ξ
rapport de l’écoulement mineur à l’étage de l’impacteur
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ISO 13271:2012(F)
4.2 Termes abrégés
BF filtre secondaire
CF1 filtre de collecte du premier étage de séparation
CF2 filtre de collecte du deuxième étage de séparation
5 Principe
5.1 Généralités
Pour le mesurage des particules, les trois caractéristiques physiques pertinentes suivantes peuvent être distinguées:
— la concentration massique (par exemple poussière totale, PM , PM ) et la distribution des fractions massiques;
10 2,5
— la concentration en nombre des particules et la granulométrie en nombre des particules;
— la morphologie des particules (par exemple forme, couleur, propriétés optiques).
Les concentrations massiques en PM et PM sont déterminées par la ségrégation des fractions
10 2,5
granulométriques des particules en suspension dans un gaz basée sur la différence d’inertie des particules.
La présente Norme internationale spécifie une méthode de mesurage pour la détermination de concentrations
massiques élevées en PM et PM à l’aide d’impacteurs virtuels à deux étages d’après le principe de la
10 2,5
séparation des effluents gazeux sans plaques d’impaction et avec des phénomènes négligeables de rebond et
d’entraînement des particules grossières collectées.
5.2 Théorie de l’impacteur virtuel
La séparation de fraction granulométrique à l’aide d’un étage d’impacteur virtuel repose sur l’inertie des
particules accélérées et ralenties dans un effluent gazeux. La Figure 2 illustre le principe de fonctionnement
d’un étage de séparation et les principaux paramètres de performance.
L’étage de séparation est constitué, dans sa configuration de base, de buses d’accélération et de collecte
des particules à orientation coaxiale dont les diamètres sont désignés par D et D , respectivement (voir
0 1
la Figure 2). Le gaz chargé en particules entre dans les buses et est accéléré en fonction de D et du débit
0
total, et une partie de l’effluent est dirigée vers les buses de collecte des particules. Le débit dans les buses
de collecte des particules, appelé écoulement mineur, est égal à environ 10 % du débit total. La fraction
majeure ou l’écoulement majeur est redirigé et évite les buses de collecte des particules. Par conséquent,
les particules supérieures à un certain diamètre aérodynamique (diamètre de coupure) sont entraînées dans
l’écoulement mineur reçu par les buses de collecte des particules et sont collectées sur un filtre. Les particules
fines inférieures à ce diamètre de coupure restent dans l’écoulement majeur et sont dirigées dans l’étage de
séparation suivant.
La performance d’un étage de séparation est caractérisée par une courbe d’efficacité de séparation. En raison
des spécificités de ce processus de séparation, il y a toujours des résidus de particules dont le diamètre est
supérieur au diamètre de coupure de l’écoulement mineur et des résidus de particules dont le diamètre est
inférieur au diamètre de coupure de l’écoulement majeur.
Un étage de séparation est spécifié par un diamètre de coupure, d . Pour les particules ayant ce diamètre
50
aérodynamique, l’efficacité de séparation de l’étage de l’impacteur est de 50 %. La Formule (1) est utilisée pour
calculer le diamètre de coupure d :
50
3
9πSt ηD
50 0
d = (1)
50
4ρ Cq
00,P m V
où
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ISO 13271:2012(F)
St est le nombre de Stokes par rapport au diamètre de coupure d , en unités relatives à l’appareillage;
50 50
η est la viscosité dynamique du gaz;
q est le débit volumique total par buse dans les conditions de fonctionnement;
V0
D est le diamètre de la buse d’accélération des particules;
0
3
ρ est la masse volumique des particules (1 g/cm ) (le diamètre de coupure inertiel est donné en
0,P
termes de diamètre aérodynamique);
C est le facteur de Cunningham.
m
Les conditions suivantes concernent la conception et l’application de la Formule (1):
a) pour la conception des étages de séparation, la valeur de St doit être choisie (Référence [10]) de façon que
50
0,4 ≤ St ≤ 0,5
50
b) le rapport de la distance entre l’extrémité de la buse d’accélération des particules et le sommet de la buse
de collecte des particules, s, au diamètre de la buse d’accélération des particules, D , doit être
0
0,8 < s/D < 2
0
c) le rapport de la longueur de la buse d’accélération des particules, l , au diamètre de la buse d’accélération
0
des particules, D , doit être
0
l /D < 2,5
0 0
d) le rapport du diamètre de la buse de collecte des particules, D , au diamètre de la buse d’accélération des
1
particules, D , doit être
0
D /D ≈ 1,33
1 0
e) le nombre de Reynolds Re de l’effluent gazeux dans la buse d’accélération des particules doit se situer
dans la région de l’écoulement laminaire
100 < Re < 3 000
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ISO 13271:2012(F)
Légende
1 buse d’accélération des particules
2 buse de collecte des particules
3 trajectoire des fines particules à mesurer
4 trajectoire des particules grossières
5 lignes de courant
D diamètre de la buse d’accélération des particules
0
D diamètre de la buse de collecte des particules
1
l longueur de buse de l’impacteur
0
s distance entre l’extrémité de la buse d’accélération des particules et le sommet de la buse de collecte des
particules
q débit total
V0
q écoulement mineur
V1
q écoulement majeur
V2
Figure 2 — Principe de l’impacteur virtuel
6 Spécification de l’impacteur virtuel à deux étages
6.1 Généralités
La présente Norme internationale décrit un impacteur virtuel à deux étages pour la détermination des
concentrations massiques en PM et PM (Référence [10]).
10 2,5
Un impacteur virtuel à deux étages est constitué de deux étages de séparation. Le premier étage sépare
les particules les plus grosses à l’aide d’une buse de collecte des particules. Les particules grossières sont
collectées sur un filtre plan. Les particules plus petites atteignent l’étage suivant.
L’impacteur virtuel à deux étages divise les particules en trois fractions:
a) particules ayant un diamètre aérodynamique supérieur à 10 µm (premier étage de séparation);
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ISO 13271:2012(F)
b) particules ayant un diamètre aérodynamique compris entre 10 µm et 2,5 µm (deuxième étage de séparation);
c) particules ayant un diamètre aérodynamique inférieur à 2,5 µm (filtre secondaire).
La masse de PM correspond à la fraction c) et la masse de PM correspond à la somme des fractions b)
2,5 10
et c). La fraction dont le diamètre aérodynamique est supérieur à 10 µm n’est pas utilisée pour l’évaluation des
données de PM et PM .
10 2,5
6.2 Courbes de séparation
Les courbes de séparation de mesurages des émissions de PM et PM doivent correspondre aux courbes
10 2,5
de séparation relatives aux mesurages de la qualité de l’air ambiant sur PM et PM spécifiés dans
10 2,5
[1]
l’ISO 7708 pour les diamètres de particules correspondants (voir la Figure 3). Les étages de séparation de
l’impacteur virtuel pour PM et PM doivent être conçus de façon que les courbes de séparation des étages
10 2,5
PM et PM répondent aux exigences des efficacités de séparation spécifiées dans le Tableau 1. Les écarts
10 2,5
autorisés spécifiés dans le Tableau 1 sont des pourcentages absolus des efficacités de séparation décrites
[1]
dans l’ISO 7708 .
Légende
A efficacité de séparation 1 convention alvéolaire à haut risque (PM )
2,5
d diamètre aérodynamique 2 convention thoracique (PM )
ae 10
[1]
Figure 3 — Courbes de séparation de PM et PM spécifiées dans l’ISO 7708
10 2,5
Tableau 1 — Efficacité de séparation pour l’étage de l’impacteur virtuel et écart autorisé
Diamètre de particules Étage PM Étage PM
10 2,5
>3 µm Écart autorisé de ±10 %
<3 µm Écart autorisé de ±15 %
>1,5 µm Écart autorisé de ±10 %
<1,5 µm Écart autorisé de ±20 %
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ISO 13271:2012(F)
6.3 Vérification des courbes de séparation
Le fabricant doit évaluer les caractéristiques de séparation d’un impacteur virtuel pour chaque étage afin de
prouver que les critères de performance spécifiés en 6.2 sont satisfaits. La validation doit être effectuée par un
laboratoire d’essai utilisant un système de management de la qualité reconnu au niveau international.
[5]
NOTE Les exigences relatives aux laboratoires d’essai sont spécifiées, par exemple, dans l’ISO/CEI 17025 .
L’efficacité de séparation de l’impacteur virtuel doit être déterminée en réalisant des essais pour chaque
étage avec un aérosol majoritairement monodispersé, par exemple l’acide oléique, une poly(alpha-oléfine)
ou le dioctyl phtalate (Références [10]-[12]), le latex de polystyrène (Référence [13]) ou des sphères de verre
(Référence [14]) de diamètres différents dans la gamme de 1 µm à 20 µm. La production d’aérosols doit être
effectuée à l’aide de méthodes à assistance mécanique ou électrique (voir l’Annexe H).
Pour l’étage PM , des essais sur au moins six diamètres de particules différents compris entre 1 µm et 10 µm
2,5
doivent être réalisés. Pour l’étage PM , des essais sur au moins six diamètres de particules différents compris
10
entre 2 µm et 20 µm doivent être réalisés. Dans les deux cas, les diamètres des particules doivent être répartis
sur toute la gamme au niveau du diamètre de coupure. Un de ces diamètres de particules doit être le plus près
possible du diamètre de coupure.
Les valeurs du nombre de Stokes St pour les étages 2,5 µm et 10 µm de l’impacteur soumis à examen en fonction
50
du diamètre de coupure doivent être calculées sur la base des données expérimentales et de la Formule (1).
Les efficac
...
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