DE4000515C2

DE4000515C2 - Mikrowellenveraschungs- und Analysegerät

Info

Publication number: DE4000515C2
Application number: DE4000515A
Authority: DE
Inventors: Michael J Collins; Wyatt P Hargett; Robert N Revesz
Original assignee: CEM Corp
Current assignee: CEM Corp
Priority date: 1989-01-18
Filing date: 1990-01-10
Publication date: 1996-10-31
Anticipated expiration: 2010-01-11
Also published as: GB2259836B; AU4789690A; DE4000515A1; AU627819B2; CH680239A5; CH684914A5; GB2227397B; IT1239164B; IT9047534A0; GB2259836A; GB9224551D0; FR2641855A1; GB2227397A; ATA8990A; AT408050B; GB8929250D0; JP3069114B2; JPH02264850A; IT9047534A1; FR2641855B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mikrowellen veraschungs- und Analysegeräte. Ein derartiges Ver aschungs- und Analysegerät ist beispielsweise aus der US-PS 4 307 277 bekannt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mikrowellenveraschungs- und Analysegerät zu schaffen, welches eine möglichst gleichmäßige Veraschungs- und eine möglichst hohe Analysengenauigkeit ermöglicht.

Diese der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die Ausgestaltung eines Veraschungs- und Analysegerätes mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Bei den erfindungsgemäßen Geräten befindet sich die zu ver aschende Probe in einem Ofen, der aus mikrowellendurchlässi gem (vorzugsweise im wesentlichen oder komplett mi krowellentransparent) Material, welches ein offen zelliger keramischer Schaum ist, vorzugsweise ein offenzelliger angeschmolzener Quarzschaum. Solches Ofenmaterial und die Ofen struktur helfen die Veraschungstemperatur gleich mäßig innerhalb des Ofenhohlraumes zu halten, und zusätzlich wird diese Temperatur auf einem ge wünschten Niveau gehalten durch ein Thermoelement-Steuersystem, dessen Geber sich in dem Ofenhohlraum befindet. Ein gleichmäßigeres Aufheizen der zu veraschenden Probe macht den Veraschungsvorgang gleichmäßiger und genauer. Darüber hinaus wird ein möglicher Verlust des Probenmaterials, welches das Mikrowellengerät durch die Luft verläßt, verrin gert, und es wurde ermittelt, daß es üblicherweise unnötig ist, eine Abdeckhaube aus gesintertem Quarzfaserkissen zu verwenden, um die Asche zurückzuhalten und zu verhindern, daß sie mit der Abluft weggetragen wird. Daher kann das Taragewicht geringer sein, wenn die Erfindung benutzt wird, und die Wägungen können daher genauer sein. Die Erfin dung umfaßt verschiedene andere Vorteile einschließ lich der einfachen Verwendung des Gerätes, der jederzeit möglichen Entfernbarkeit und Austausch barkeit der Ofentür, verbesserten Abbrandes von Lösungsmittel von der veraschbaren Probe, wobei dieses Lösungsmittel jedes der verwendeten Ver aschungshilfsmittel aus Magnesiumacetat begleitet, genauer automatischer Steuerung der Veraschungs bedingungen und schnellerer Veraschungen.

Obwohl verschiedene Veraschungsgeräte für Analyse zwecke detailliert in der Literatur beschrieben wor den sind, verwenden die meisten von ihnen Muffel öfen, um Hitze zu erzeugen, und sie verwenden Tiegel, um die zu veraschenden Proben zu halten. Soweit es den Anmeldern bekannt ist, wurden vor ihrem US-Patent 4 565 669 keine anderen Mikro wellenveraschungsgeräte und Verfahren in der Lite ratur beschrieben. Im US-Patent 4 307 277 wurde ein Mikrowellenofen beschrieben, um Materialien auf hohe Temperaturen zu erhitzen, wie z. B. in der Pro duktion von Sinterkeramik. Jedoch waren die Heiz öfen jenes Patentes nicht thermostatisch gesteuert, verwendeten nicht das offenzellige Keramikmaterial des Anmelders für die Ofenwände und die Tür und waren in verschiedenen anderen wichtigen baulichen Merkmalen unterschiedlich zu dem Gerät des Anmel ders. Die verschiedenen Veränderungen, die in der vorliegenden Erfindung verwirklicht worden sind, stellen Verbesserungen dar gegenüber den baulichen Merkmalen und den Verfahren der US-Patente 4 307 277 und 4 565 669 und tragen zu verbesserten Ana lyseresultaten und schnelleren Veraschungen bei, die erzielt werden, wenn die vorliegende Erfindung benutzt wird.

Vor der vorliegenden Erfindung waren Quarzfaser scheiben beschrieben worden als Unterlagen für die Proben, die verascht werden sollten durch Hitze, welche erzeugt wurde, indem Mikrowellenenergie auf Mikrowellen-Absorptionsmaterial gelenkt wurde. Im US-Patent 4 565 669 wurde eine Quarzfaser-Unterlagen scheibe und eine Abdeckung desselben Materials ver wendet, um eine veraschbare Analysenprobe zu umge ben, welche analysiert werden sollte während der Veraschung dieser Probe mit Hilfe von Hitze, die dadurch erzeugt wurde, daß Mikrowellenstrahlung auf mikrowellen-absorbierendes Siliziumcarbid unter dieser Unterlegscheibe gelenkt wurde. Das US-Patent 4 565 669 stellt den am nächsten kommenden Stand der Technik dar, der dem Anmelder in Hinsicht auf die erfundenen Behälter zur Aufnahme des verasch baren Materials bekannt ist, jedoch beschreibt es nicht die erfindungsgemäßen Behälter und schlägt diese nicht vor und legt sie auch nicht nahe (und der Veraschungsprozeß des Patentes resultiert nicht aus der verbesserten Veraschung, die mit den erfin dungsgemäßen Behältern erzielbar ist).

Erfindungsgemäß umfaßt ein Gerät zum Veraschen von veraschbaren Proben eine von Wänden gebildete Kam mer, die Mikrowellen zurückhält, eine Quelle von Mikrowellenstrahlung, um auf den Inhalt dieser Kammer zu strahlen, und einen Veraschungsofen inner halb der Kammer, der eine Ofenwand aus hitzebestän digem Material um einen inneren Ofenhohlraum auf weist, mit einer Öffnung in dieser Wand zum Ein setzen und Entfernen einer veraschbaren Probe, eine Tür aus hitzebeständigem Material, um die Öffnung in der Ofenwand zu verschließen und zu öffnen, ein mikrowellenabsorbierendes Material, welches bis zu einer Veraschungstemperatur durch Mikrowellen strahlung aufgeheizt werden kann, und einen Durch laß durch den Ofen, um Gas in den Ofenhohlraum zu lassen und um Gas aus diesem Hohlraum herauszu führen, wobei das hitzebeständige Ofenwand- und Ofentürmaterial eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist und im wesentlichen durchlässig ist für Mikrowellenstrahlung, wobei das Mikrowellen-Absorp tionsmaterial des Ofens eine Oberfläche aufweist, die dem Ofenhohlraum ausgesetzt ist, und wobei die Mikrowellen zurückhaltende Kammerwand Einlaß- und Auslaßöffnungen aufweist zum Durchlaß von Gas in und aus der Kammer um den Ofen. In bevorzugten Aus führungsbeispielen der Erfindung wird ein Thermo element oder andere geeignete Temperaturmeßeinrich tungen verwendet, um die Temperatur in dem Ofen hohlraum zu steuern, Luft wird kontrollierbar durch den Ofen geleitet und durch die von Wänden gebil dete Mikrowellen zurückhaltende Kammer, eine Mi krowellen durchlassende Tür mit einem Handgriff oder einer anderen Greifvorrichtung an ihr wird dazu verwendet, eine Öffnung in dem Ofen zu ver schließen, Siliziumcarbid wird als das die Mikro wellen absorbierende Material verwendet und liegt als Streifen oder Platten in dem Inneren der Ofenwand vor, das Baumaterial des Ofens ist ein mikrowellentransparentes offenzelliges Quarz material, und ein Behälter, der verwendet wird, um die veraschbare Probe zu halten, besteht aus einem hitzebeständigen, leichtgewichtigen, porösen, mit Wänden versehenen Behälter aus im wesentlichen für Mikrowellen durchlässigen Quarzmikrofasern, die einen Gasstrom durch das Material erlauben, aber die den Durchlaß von Asche verhindern. Die Erfindung um faßt weiterhin Komponenten des beschriebenen Ge rätes, wie beispielsweise den Ofen mit einer ent fernbaren und einstellbaren Tür, ein Verfahren zum Veraschen und die Analyse von veraschbarem Material und einen Behälter für veraschbares Material, wobei das Material durch Hitze verascht werden kann, die durch Mikrowellenstrahlung von mikrowellen-absor bierenden Elementen erzeugt werden kann in einem Veraschungsofen, wobei der Behälter einen hitzebe ständigen mit Wänden versehenen Behälter umfaßt, der leichtgewichtig, mikrowellendurchlässig und porös ist und der aus Quarzmikrofasern besteht, die in der mit Wänden versehenen Behälterform gehalten werden. Die Erfindung umfaßt weiterhin ein Verfah ren, um solch einen Behälter herzustellen, in dem ein leichtgewichtiges, mikrowellendurchlässiges und poröses Blatt aus Quarzmikrofasern in die Behälter form gebracht wird und dieses Blatt in dieser Form aufgeheizt wird, vorzugsweise nachdem es angefeuch tet und getrocknet wurde, wodurch ein formbestän diger Behälter resultiert, der gegenüber den Ver aschungstemperaturen und anderen Veraschungsbedin gungen beständig ist.

Die verwendeten Behälter sind insbesondere nützlich in Verbindung mit Mikrowellen-Veraschungs geräten, wie den in der vorliegenden Patentanmeldung beschriebenen, das ebenfalls in der US-Anmeldung 07/298, 554 beschrieben ist, welche eine der Prio ritätsanmeldungen für die vorliegende Anmeldung dar stellt und in der die Erfinder die Herrn Collins und Hargett sind. Jedoch finden die Behälter auch Anwendung in anderen Veraschungsan wendungen, z. B. in den konventionellen Muffelöfen und in anderen Heizverfahren einschließlich von Ver schmelzungen und Trocken-Veraschungen (worin Asche für aufeinanderfolgenden Analysen, wie z. B. Schwer metallanalysen hergestellt wird).

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, wobei

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Frontan sicht des erfindungsgemäßen Mikro wellen-Veraschunggerätes, wobei die Kammertür offensteht, die Ofentür entfernt ist und sich keine verasch bare Probe im Ofen befindet,

Fig. 2 zeigt eine größere perspektivische Frontansicht entsprechend der Fig. 1, wobei sich die Ofentür an ihrem Platz befindet in nahezu geschlos sener Stellung, wobei Pfeile den Luftstrom in die Kammer, in den Ofen, aus dem Ofen heraus und aus der Kammer heraus anzeigen,

Fig. 3 zeigt eine größere auseinander gezogene Ansicht der Baugruppe des Veraschungsofens mit einer unteren Stütze und einem Schutzschirm unter dieser Stütze,

Fig. 4 zeigt eine Frontansicht entsprechend Fig. 1, jedoch mit zwei Behältern für veraschbares Material in dem Ofen,

Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht von hinten auf das äußere des Mikro wellen-Veraschungsgerätes mit einer Temperatursteuereinheit auf diesem Gerät,

Fig. 6 zeigt einen schematischen elek trischen Schaltplan verschiedener Elemente des Mikrowellen-Veraschungs gerätes,

Fig. 7 zeigt eine perspektivische Frontan sicht eines Mikrowellen-Veraschungs gerätes, wobei die Kammertür offen und die Ofentür entfernt ist, um zwei der Behälter im Ofen darzustellen und wobei ge genüber Fig. 4 zusätzliche Merkmale der Erfindung dargestellt sind,

Fig. 8 zeigt eine perspektivische Ansicht von oben und vorne auf einen mit Wänden versehenen Veraschungsbe hälter und

Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht von oben und vorne auf einen Ver aschungsbehälter, dessen Seitenwand um eine Ronde geformt wurde.

In Fig. 1 umfaßt ein Veraschungsgerät 11 eine mit Wänden versehene Mikrowellen zurückhaltende Kammer, wie die des CEM Corporation MDS-81 Mikrowellentrock nungs/Aufschlußsystems, welche durch einen Boden, zwei Seiten, einen Deckel, eine Rückseite, eine Vor derseite und eine Tür gebildet wird, wobei eine Kam merwand mit einem Bezugszeichen 13 versehen ist, welches, wie dargestellt, auf die Seitenwand der Kammer zeigt. Eine Tür 15 ist geöffnet dargestellt, so daß ein Veraschungsofen 17 sichtbar ist. Der Ver aschungsofen wird später anhand Fig. 3 näher be schrieben. Ein Temperaturregler 19 ist an einen Geber 21 eines Thermoelementes im Hohlraum des Ofens durch eine nicht dargestellte elektrische Ver bindung angeschlossen. Der Luftstrom in die Kammer, in den Ofenhohlraum und aus dem Ofenhohlraum und der Kammer heraus wird mit Bezug auf die Fig. 2 be schrieben, wie auch die Bedienungs- und Anzeigetafel des Mikrowellenteils des Gerätes, wobei diese Tafeln denen des Modells MDS-81 der CEM Corporation ähneln.

In Fig. 2 wird der Luft- oder Gasstrom durch das Veraschungsgerät durch gestrichelte Pfeile ange zeigt. Luft tritt in die mit Wänden versehene Mikro wellen zurückhaltende Kammer ein, die mit dem Be zugszeichen 23 versehen ist, durch Gitteröffnungen 25 und 27 in Kammerseitenwänden 29 und 31, wobei die Gitteröffnungen nahe dem Boden der Kammer angeordnet sind, und verläuft aufwärts und um den Ofen 17 herum, wobei sie dessen Äußeres kühlt, wonach sie herausge langt durch eine Auslaßöffnung oder Kühlluft führung 33, von der aus sie durch ein Abgaskanal aus dem Gerät herausgeführt wird, wie in Fig. 5 darge stellt ist, vorzugsweise zu einer Abzugshaube oder in einer anderen zulässigen Weise. In Fig. 2 ist eine Ofentür 35, die einen im wesentlichen trapezoiden horizontalen Querschnitt aufweist mit Handgriffab schnitten oder Fingermulden, die in die Basis des Trapezoids geschnitten sind (die Vorderseite der Tür), an ihrem Platz in der Ofenwand, aber die Tür öffnung ist nicht vollständig verschlossen und er laubt dadurch einen Luftstrom in den Ofenhohlraum (in Fig. 2 nicht dargestellt), wie durch Pfeile 37 und 38 angedeutet. Obwohl die Pfeile den Gasstrom unter der Tür her andeuten, gelangt ebenso Luft in das Ofeninnere durch die Seitenspalte zwischen der Ofen tür und der Ofenwand. Ähnlich kann Luft das Ofen innere an der Oberseite verlassen, wie durch die Pfeile 41 und 43 angedeutet, sowie durch die oberen Abschnitte der Seitenöffnungen. Ein Pfeil 45 zeigt den Weg von Luft und Verbrennungsprodukten aus dem Ofenhohlraum heraus durch eine vertikale Öffnung 47 zwischen dem Geber 21 des Thermoelementes und der Wand dieser Öffnung in dem oberen Bereich des Ofens 17. Das von der dem Ofenhohlraum abgeführte Gas ge langt durch die Kühlluftöffnung 33 heraus zu einer geeigneten Haube oder anderen Abzugsmitteln. Auf diese Weise werden Kanäle für die Luft oder andere Gase durch den Ofen und durch die Kammer und das Ofeninnere geschaffen. Es soll darauf hingewiesen werden, daß die Lufteinlaßöffnungen 25 und 27 und die Kühlluftöffnung 33 durch Abdeckmaterial (nicht im einzelnen dargestellt) abgedeckt werden, um zu verhindern, daß Mikrowellenstrahlung aus der die Mikrowellen zurückhaltenden Kammer entweichen kann.

Die Kammerwände und die Tür bestehen aus einem Me tall oder einer Metall-Legierung, wie z. B. Aluminium oder rostfreier Stahl, und können mit einem strah lungsdurchlässigen Polymer beschichtet sein, wie beispielsweise Polytetrafluoräthylen. Alternativ, aber nicht ebenso erwünscht, kann die Tür glasgefüttert und be schichtet sein, um den Austritt von Strahlung zu verhindern.

Der Temperaturregler 19 umfaßt drei Steuertasten und eine Anzeige. Die Tasten sind gekennzeichnet mit "S", "Anstieg" und "Abstieg" (nicht so markiert in Fig. 2) und ihre Verwendung wird später in Ver bindung mit einer Beschreibung erwähnt werden, wie der Regler programmiert wird. Der das Mikrowellen system umfassende Abschnitt des Gerätes umfaßt Steuerungsmittel, wie die vom CEM MDS-81 Labormikro wellensystem. Sie umfassen einen Ausschalter 49 und Steuertafeln 51 und 53. Die Tafel 51 umfaßt Program mier-, Rückstell-, Eingabe- Stop- und Starttasten und die Tafel 53 umfaßt die Nummern 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 und 0 (von denen keine im einzelnen dar gestellt ist). Eine Anzeige 55 ist als alphanume rischer Typ ausgelegt.

Der Veraschungsofen 17, der in Fig. 3 dargestellt ist, umfaßt kombinierbare und trennbare einteilige untere und obere Abschnitte. Ein oberer Abschnitt 57 besteht aus einem Material mit hitzebeständigen und mikrowellendurchlässigen Eigenschaften, welches ebenso eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist und welches vorzugsweise ein offenzelliger verschmolze ner Quarzschaum ist. Eine senkrechte Öffnung oder ein Loch 58 erlaubt den Durchlaß eines Thermoele mentgebers und der Verbindung (keines von beiden in dieser Ansicht dargestellt) durch den oberen Ab schnitt. Der Veraschungsofen 17 umfaßt weiterhin einen einteiligen abtrennbaren unteren Abschnitt 59, aus dem selben hitzefesten Material, welcher eine Ausnehmung darin aufweist, die zusammen mit einer entsprechenden Ausnehmung im oberen Ofen abschnitt den Ofenhohlraum bildet. Der untere Abschnitt 59 umfaßt eine Vielzahl von Schlitzen oder Nuten 61 am Boden und andere Schlitze oder Nuten, wie sie bei 63 und 65 dargestellt sind. Die Nuten 61 dienen der Anordnung von Bodenheizelemen ten 62 und die Nuten 63 und 65 dienen jeweils der Anordnung von Heizelementen 64 bzw. 66. Ähnliche Nuten, die in Fig. 3 nicht sichtbar sind, sind vorgesehen für die Anordnung von Frontheizelementen 67 und rückseitigen Heizelementen 68. Deckenheiz elemente (nicht dargestellt) können ebenso vorge sehen sein im oberen Abschnitt 57 des Ofens in geeigneten Schlitzen, Nuten, Kanälen oder anderen darin eingeformten Haltemitteln. Die verschiedenen Heizelemente bestehen aus mikrowellen-absorbieren dem Material, welches durch Mikrowellenstrahlung bis zu einer Veraschungstemperatur aufgeheizt wer den kann. Ein sehr bevorzugtes solches Material ist Siliziumcarbid, und vorzugsweise sind die Heizele mente getrennt, mit Oberflächen, die bündig mit den Innenwänden des Ofenhohlraums abschließen. Die Ofen tür 35, die dargestellt ist mit einem trapezoiden horizontalen Querschnitt (aber die auch einen ande ren geeigneten Querschnitt aufweisen kann) ist in ihrer Formgebung einer korrespondierenden Wandöff nung in der Front der des oberen Ofenabschnittes angepaßt, und wenn sie sich in ihrem Platz befin det, bilden ihre Innenseite und die Innenseiten der oberen und unteren Wandabschnitte den Ofenhohlraum. Die Tür weist in ihrer Frontseite ein Paar von Nu ten 69 auf, die als Teile eines Handgriffs oder Griffmittel ausgebildet sind, um von Hand ein ein faches Entfernen, Schließen oder Einstellen der Türstellung zu erlauben. Der Ofen wird durch einen hitzebeständigen Block 71 gestützt, der sich unter einem kleineren Teil der Ofenunterseite befindet. Eine solche Stütze ermöglicht eine Zirkulation von Luft oder anderem Gas unter einem Großteil der Ofen unterseite und erleichtert dadurch seine Kühlung. Unter der hitzebeständigen Stütze ist eine Zwischen lage dargestellt, wie z. B. ein Tuch oder ein Gitter, die aus temperaturbeständigem Plastik, Metall oder anderem geeignetem Material besteht. Die Funktion des Tuchs oder des Gitters besteht darin, ein Verkratzen der Oberfläche des Kammer inneren durch die hitzebeständige Stütze zu ver hindern, die oft rauhe Oberflächen aufweist.

Da Fig. 4 im wesentlichen der Fig. 1 entspricht, mit Ausnahme der Anwesenheit von einem Paar von Behäl tern von Veraschungsmaterial (oder Asche) in dem Ofeninneren von Fig. 4, wird im folgenden lediglich dieser Aspekt der Fig. 4 beschrieben. In Fig. 4 be steht der Veraschungsofen 17 aus trennbaren oberen und unteren Abschnitten 57 bzw. 59, die zusammen mit den Heizelementen in Fig. 3 dargestellt sind, von denen die rückwärtigen Heizelemente 69 in Fig. 4 sichtbar sind, und diese Teile bilden den Ver aschungsraum, wenn die Tür 35 sich in ihrem Platz befindet. In diesem Raum sind zwei poröse, mit Wänden versehene Behälter 75 aus einem Bandmaterial aus Quarzmikrofasern angeordnet. In den Behältern sind geeignete Ladungen von Veraschungsmaterial 77 enthalten (oder sie können die resultierende Asche enthalten). Details des Veraschungsverfahrens werden später beschrieben werden.

In Fig. 5 ist ein Veraschungsgerät 11 mit dem darauf angeordneten Temperaturregler 19 dargestellt, wobei ein Thermoelement (in dem Ofenhohlraum) an den Regler angeschlossen ist. Mit dem Bezugszeichen 79 ist das Stromversorgungskabel für das Veraschungsgerät be zeichnet, und Luftschlitze 81 und 83 sollen einen Luftstrom durch einen Luftkanal um die Kammer herum ermöglichen, um die Kühlung des Kammeräußeren zu un terstützen. Zwischen einer Außenwand 85 und der Kam mer ist ein Magnetron angeordnet, von dem aus Mikro wellenstrahlung in die die Strahlung zurückhaltende Kammer gerichtet wird, wobei deren Wände aus Mikro wellen reflektierendem Material bestehen, wie z. B. Edelstahl oder andere geeignete Metalle oder Legie rungen, die mit einem Lack oder einer polymeri schen Schutzschicht beschichtet sein können. Das Magnetron ist ein Standardteil in Mikrowellengeräten des beschriebenen Typs und ist innerhalb von dessen Wänden verborgen. Daher ist es in der vorliegenden Zeichnung nicht dargestellt. Ebensowenig ist ein Kühlgebläse für das Magnetron dargestellt, obwohl solch ein Gebläse im Gerät vorhanden ist. Nummer 87 bezeichnet eine Öffnung in dem Gerät, um die Luft abzuführen, die über das Magnetron geblasen wird, um dieses zu kühlen. Ein Gebläse (nicht dargestellt) ist innerhalb des Gerätes vorgesehen, um Luft und Verbrennungsgase vom Ofen abzuführen und um einen Luftstrom durch die Kammer und durch den Ofen zu er zeugen. Ein Motor für ein solches Gebläse ist durch das Bezugszeichen 89 gekennzeichnet, und der zuge hörige Auslaß ist durch die Nummer 81 gekennzeich net. Eine Aufnahme 93 ist vorgesehen für den An schluß eines Temperaturreglerkabels 95. Ein elek trisches Stromversorgungskabel 97 ist mit dem Regler 19 bei 99 verbunden. Eine Sicherung ist bei 101 vor gesehen, und ein Netzschalter ist bei 103 darge stellt. Anschlußkabel 105 und 107 für das Thermo element sind mit einem Anschlußstecker 109 des Thermoelements verbunden, und diese Kabel oder Ver bindungen sind ebenfalls mit einem Thermoelement verbunden (nicht dargestellt in Fig. 5), welches vorzugsweise im oberen mittleren Abschnitt des Ofen hohlraumes angeordnet ist. Eine solche Verbindung führt bei 110 in das Veraschungsgerät 11.

In Fig. 6 ist die Beziehung zwischen der Bedienungs tastatur (und dem alphanumerischen Display), dem Mikrowellenprozessor, dem Temperaturregler, dem Thermoelement und der Leistungsregelung zu dem Mag netron dargestellt. Die Bedienungstastatur steuert den Betrag der verwendeten Leistung und die Zeit des Heizens, welche in der alphanumerischen Anzeige an gezeigt werden, nachdem sie durch die Tastaturbe tätigung eingestellt sind. Der Temperaturregler regelt die Veraschungstemperatur und erlaubte Tem peratur-Abweichungen (oft +/- 2°C oder +/- 3°C) von der gesetzten Temperatur. Ein Thermoelement 114 liefert den Eingang für den Temperaturregler mit der Temperatur im Ofeninneren, und der Regler betätigt den Mikrowellenleistungsregler, um das Magnetron abzustellen, wenn die Temperatur höher als vorgegeben ist und um das Magnetron wieder anzu stellen, wenn die Temperatur unter den gesetzten Wert fällt. Weitere Details bezüglich der Funktion der Bedienungstastatur für das Gerät und der Tempe ratursteuerung werden im folgenden gegeben.

In Fig. 7 umfaßt ein Mikrowellen-Veraschungsgerät 111 Ober-, Unter-, Seiten- und Rückwände, alle mit der auf die Seitenwand weisenden Nummer 113 bezeichnet, und eine Tür 115, welche eine Mikrowellen zurückhal tende Kammer 118 bilden. Innerhalb der Kammer befin det sich ein Ofen 117, der obere und untere Ab schnitte 119 bzw. 121 aufweist, und eine Ofentür 123. Diese Ofenteile sind aus mikrowellendurchlässigem offenzelligen Quarz hergestellt, der eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist und hitzebeständig ist und damit bei sehr hohen Temperaturen ohne nachtei lige Veränderungen verwendet werden kann. Ein sol ches Material ist beispielsweise ECCOFOAM Q, vorzugs weise ECCOFOAM Q-G, welches in einer Schrift be schrieben ist, die den Titel "ECCOFOAM Plastic and Ceramic Foams" trägt, von Emerson and Cumming, Canton, Massachusetts, und zwar vom März 1980. Innerhalb des Ofens ist ein Ofenhohlraum 125, und mikrowellenabsorbierendes Material 127 ist in Nuten oder Schlitzen (nicht dargestellt) in den oberen und unteren Abschnitten 119 und 121 ange ordnet, wobei deren Oberflächen eben mit den inneren Oberflächen abschließen, die die Ofenaus nehmung bilden. In dem Ofenhohlraum sind zwei der Behälter der vorliegenden Erfindung dargestellt, die mit 129 gekennzeichnet sind. Ebenso sind in Fig. 7 Einlässe 131 dargestellt, damit Luft in die Kammer eintreten kann, wobei ein Teil der Luft durch den Ofenhohlraum strömen wird, aber ihr größter Anteil streicht um die Kammer 118 und dient dazu, deren Wände zu kühlen. Solche Luft verläßt die Kammer durch einen Auslaß 133. Ein Thermoele ment 135 ist im Ofenhohlraum angeordnet und steht durch nicht dargestellte Verbindungsmittel in Verbindung mit einem Temperaturregler 137. Sowohl die Hauptmikrowellenerzeugungseinheit des Gerätes als auch der Temperaturregler 137 umfassen Steuerungen und Anzeigen, die allgemein bekannt und daher hier nicht im einzelnen mit Nummern versehen sind.

In Fig. 8 ist einer der erfindungsgemäßen Behälter dargestellt. Ein solcher Behälter ist einteilig, wo bei Boden 139 und Seitenwand 141 aus derselben Lage von porösen, nicht gewobenen Quarzmikrofasern be steht. Der dargestellte Behälter ist aus einem rechteckigen Abschnitt des Fasermaterials herge stellt und umfaßt Nahtlinien wie die bei 143 dar gestellte. In Fig. 9 ist ein Schritt in der Her stellung des Behälters 129 dargestellt. Wie darge stellt, ist die Lage von nicht gewobenem Mikrofaser quarz um die Basis einer zylinderischen Ronde 145 geformt worden, und überschüssiges Material ist ent lang der Oberkante 147 abgeschnitten worden. Ein Quarzmonofilament 149 oder ein elastisches Band oder ähnliches Rückhaltemittel hält die poröse Mikro faserquarzlage eng an der Ronde während der Form gebung, wird aber später entsprechend üblichen Her stellungsverfahren entfernt. Nach der Formgebung der Lage wird sie angefeuchtet, eng um die Ronde herum geformt, beschnitten, von der Ronde entfernt und luftgetrocknet, wonach sie gebrannt (befeuert) wird, um den formbeständigen Behälter dieser Erfindung zu schaffen. Wenn Lufttrocknung vorgezogen wird, so kann sie jedoch manchmal auch entfallen.

Obwohl der erfindungsgemäße Behälter als ein kurzer Zylinder dargestellt ist, können andere Behälter formen ebenso hergestellt werden, wenn entsprechend geformte Ronden Verwendung finden. Auf diese Weise können Behälter von rechtwinkligem oder quadra tischem horizontalen Querschnitt erzeugt werden. Obwohl verschiedene Formen von Behältern erzeugt werden können, wird bevorzugt, daß diese Behälter relativ flach sind, üblicherweise mit einem Verhält nis zwischen Höhe und der im wesentlichen horizon talen Abmessung von weniger als eins zu eins und vorzugsweise nicht mehr als eins zu zwei. Solche Verhältnisse, wie z. B. für Höhe/Durchmesser, kön nen im Verhältnis von 1/10 bis 1/2 liegen, vor zugsweise im Bereich von 1/5 bis 2/5, beispiels weise um 1/5 oder 3/10. Wenn auch verschiedene Größen von Behältern verwendet werden können, wird üblicherweise bei flachen und zylindrischen Behäl tern ein Durchmesser von 2 bis 10 cm bevorzugt, vorzugsweise von 4 bis 6 cm und eine Höhe von 0,5 bis 4 cm, vorzugsweise 1 bis 2 cm. Flache zylin drische Behälter werden bevorzugt.

Das Gerät zur Verwendung von genug Mikrowellenener gie, um eine Materialprobe zu veraschen, kann jedes beliebige geeignete Mikrowellengerät sein, welches Mikrowellenstrahlung auf die Heizelemente im Ofen richten kann. Wie weiter oben schon angesprochen, ist ein CEM Corporation MDS-81 System nützlich, aber ähnliche Systeme können ebenfalls verwendet werden zusammen mit einem inneren Ofen, einer Temperatur regelung und einem Behälter für das zu veraschende Material. Vorzugsweise wird das System einen Mikro prozessor, einen Digitalcomputer und Steuermöglich keiten umfassen zur Regulierung der Anwendung der Mikrowellenstrahlung auf die aufzuheizenden Elemen te. Auf diese Weise kann die Mikrowellenstrahlung für gewünschte Zeiträume und zu verschiedenen Strahlungsniveaus angewendet werden, wenn dies er wünscht wird, aber oft wird das Strahlungsniveau konstant an der obersten vorgesehenen Kapazität liegen.

Schlüsselelemente für das verwendete Mikrowellen system werden ein korrekter Gas-(Luft-)strom durch dieses System sein, um den Ofen zu kühlen und keine Mikrowellenladung im System außer im Ofen. Weiter hin sollte der Ofen den Abzug von Abgasen oder Ver brennungsgasen ebenso wie den Zustrom von Frischgas (Luft oder ein geeignetes Oxydationsmittel) er möglichen.

Es wird darauf hingewiesen, daß in einigen der er wähnten Geräte der Leistungsbereich der Mikrowellen von 1 bis 100 Prozent oder Vollast (500 bis 1500 Watt in manchen Fällen) in 1%-Schritten gesteuert werden kann. Natürlich können ebenso geringere und größere Leistungen verwendet werden, beispielsweise bis zu mehreren Kilowatt, beispielsweise 0,3 bis 5 oder 0,4 bis 2 kw, aber 0,9 oder 1 kw werden üb licherweise ausreichen. In den Vereinigten Staaten liegt die Frequenz der verwendeten Mikrowellenstrah lung üblicherweise bei 2,45 Gigahertz, und in Groß britannien sind es üblicherweise 0,896 Gigahertz. Eine solche Frequenz kann in einem Bereich von 0,3 bis 50 Gigahertz (oder höher) liegen und liegt vor zugsweise in einem Bereich von 0,8 bis 3 Gigahertz. Die Anzeigen der beschriebenen Geräte haben bis zu 40 Buchstaben in ihrem alphanumerischen Display, und in manchen Fällen können sie hörbare Töne für eine Rückmeldung an das Bedienpersonal beinhalten. Die Bedienelemente umfassen eine Tastatur von bis zu 20 Tasten zur Eingabe.

Einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß das beschriebene Mikrowellengerät zum Veraschen oder für andere Verfahren eingesetzt wer den kann, für welche jedes dieser Geräte ursprüng lich entworfen sein kann, wie beispielsweise Feuch tigkeitsbestimmungen, Flüchtigkeitsanalysen und die Beschleunigung von chemischen Reaktionen. Die Geräte werden, wenn sie zum Veraschen von Material verwen det werden, üblicherweise in ihrer höchsten Lei stungsstufe betrieben, die oft um 560 oder 1000 Watt liegt. Die Veraschungszeiten können nach Wunsch ein gestellt werden, und üblicherweise werden Ver aschungszeiten von 2 bis 20 Minuten oder 5 bis 15 Minuten verwendet, aber der Ofen kann vorgeheizt werden über Zeiträume von 5 Minuten bis zu 2 Stun den, üblicherweise 20 bis 60 Minuten.

Das Hauptmaterial für den Aufbau des Ofens, welcher in das oben beschriebene Mikrowellensystem einge setzt wird und Teil des beschriebenen Geräts ist, ist hitzebeständig, von geringer Wärmeleitfähigkeit und durchlässig für Mikrowellenstrahlung. Es wurde ermittelt, daß solche Materialien Keramik, Glas und Quarzschäume umfassen, wobei die Quarzschäume stark bevorzugt werden, da sie Verfahren bei höheren Tem peraturen erlauben, da sie eine geringe Wärmeleit fähigkeit aufweisen und außergewöhnlich durchlässig für Mikrowellenstrahlung sind, wobei sie im wesent lichen oder komplett durchlässig für solche Strah lung sind. So wird z. B. angenommen, daß über 99% der Mikrowellenstrahlung durch die Wände der be schriebenen Öfen gelangen, so lang sie nicht durch die die Mikrowellen absorbierenden Heizeinrichtungen im Ofen absorbiert werden. Bei den Quarzschäumen sind die offenzelligen und angeschmolzenen oder ge sinterten wiederum am meisten zu bevorzugen.

Solche Materialien sind bei Emerson and Cuming in Canton, Massachusetts erhältlich und werden unter den eingetragenen Warenzeichen ECCOFOAM Q ver marktet. Zwei Sorten von ECCOFOAM Q werden verkauft, ECCOFOAM Q-G und ECCOFOAM Q-R. Der letztere ist schwerer und stärker, aber für die Zwecke der vor liegenden Erfindung wird es bevorzugt, den ersten zu verwenden. Die Eigenschaften solcher verschmolzenen offenzelligen Quarzschäume sind beschrieben im technischen Heft 6-2-12 A, herausgegeben von dieser Gesellschaft. Verschmolzene Schaummaterialien der genannten Typen werden für nützlich angesehen für die Herstellung der beschriebenen Öfen, insbeson dere, wenn sie eine Dichte im Bereich von 0,3 bis 0,8 g/cm³ aufweisen, ein Bruchmodul (modulus of rupture) im Bereich von 10 bis 50 kg/cm² und eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 0,5 bis 1, 5 BTU/hr./sg. ft./°F./in. Solche Materialien sollten weiterhin funktionsfähig bei den Ver aschungsanwendungen der vorliegenden Erfindung bei entsprechenden Veraschungstemperaturen sein, die vorzugsweise im Bereich von 800 bis 1000°C liegen. Der Schaumquarz, der im wesentlichen aus purem Siliciumdioxyd besteht oder Schaumkeramik, sollte sich nicht zersetzen oder merklich altern, wenn er solchen Temperaturen ausgesetzt wird. Wenn Ver aschungen bei höheren Temperaturen unternommen werden sollen, wird ein entsprechendes Hochtempe raturbaumaterial verwendet werden und die erwähnten ECCOFOAMS werden bevorzugt, da sie bis 1650°C für relativ kurze Zeiträume stabil sind und da sie für noch stabiler angesehen werden bei 1090°C, welcher Temperatur sie für längere Zeiträume ohne nachtei lige Effekte ausgesetzt werden können. Die erwähnten ECCOFOAM-Produkte sind in Blatt- oder Lagenform er hältlich, wobei diese Lagen Abmessungen von 30,5 × 45,7 × 7,6 cm für ECCOFOAM Q-G aufweisen und 30,5 × 45,7 × 11, 4 cm für ECCOFOAM Q-R. Solche Lagen oder Platten werden bis zur Erreichung der gewünschten Form bearbeitet, wobei abtragende, schneidende und schleifende Techniken verwendet werden. Obwohl ECCOFOAM mit sich selbst und anderen Materialien verklebt werden kann, wird eine solche Verklebung meistens bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Öfen vermieden, da die Kleber üblicherweise bei höheren Temperaturen in ihrer Wirkung nachlassen oder bei solchen Temperaturen abgebaut werden.

Das Veraschungsmittel besteht aus einem mikrowellenabsorbierenden Material, welches nicht eine Curie-Temperatur aufweist, die unterhalb der gewünschten Veraschungstemperaturen liegt und welches durch Mikrowellenstrahlung bis zu einer Temperatur im Bereich von 400 oder 500°C bis 1650 oder 1700°C aufgeheizt werden kann. Manchmal kann der Ver aschungsbereich sogar noch höher liegen, wobei er begrenzt wird durch den Schmelz-, Sublimations- oder Zersetzungspunkt der verwendeten Gerätematerialien oder der zu veraschenden Substanz oder ihrer Oxyde, - aber normalerweise ist ein Bereich von 600 bis 1000°C angemessen und 800 bis 950, 975 oder 1000°C wird häufiger bevorzugt. Die Veraschungseinrichtung ist bei den angestrebten Einsatztemperaturen stabil und ist bei dieser Temperatur im wesentlichen oder komplett nicht oxydierbar. Sie sollte weiterhin bei dieser Einsatztemperatur strukturell gesund sein, indem sie sich nicht zersetzt, nicht aufgeschlossen wird und nicht zerstaubt. Obwohl verschiedene Mate rialien Mikrowellenstrahlung aufnehmen können und zu Temperaturen in den beschriebenen Bereichen aufgeheizt werden können, ist Siliciumcarbid das nützlichste und am stärksten bevorzugte solcher Materialien. Siliciumcarbid in Pulver-, granulier ter oder anderer Partikelform (wobei die effektiven Durchmesser der Partikel üblicherweise bis 0,5 oder 1 cm reichen) kann durch Mikrowellenstrahlung aufgeheizt werden, aber in dieser Form ist es nicht wirksam genug, um als ein Veraschungsmittel für eine Vielzahl von veraschbaren Materialien zu dienen, wie sie verwendet werden und für deren Analyse das erfindungsgemäße Gerät vorgesehen ist. Jedoch liefert Siliciumcarbid, welches in einer kontinuierlichen gesinterten oder festen Nicht-Partikelform vorliegt, sehr gute Ergebnisse und ist erfolgreich bei Analysen verschiedener Materia lien auf Aschegehalte verwendet worden.

Das Veraschungsmittel aus einstückigem Siliciumcar bid kann in verschiedenen Formen oder Gestalten vor liegen, um angemessen in die Ausnehmung einer Ofen wand zu passen, aber regelmäßige Parallelepipeds sind bevorzugt, wie flache Prismen oder rechtwink lige Querschnitte. Passende Materialien können han delsübliche Siliciumcarbide sein, die dazu ver wendet werden können, Schleifscheiben abzuziehen. Von diesen werden die von Norton Company unter dem Warenzeichen "CRYSTOLON", insbesondere deren Sorte 37 C 220 bevorzugt, welche ein keramisch gebundenes Siliciumcarbid darstellt, aber andere Siliciumcar bidprodukte können ebenso verwendet werden. Unter diesen befinden sich Norton Company′s JKV "finishing sticks" und Siliciumnitrid-gebundene Siliciumcarbide, bezeichnet CN 137 und CN 233. Auch wenn solche Produkte sich nach vielen Einsätzen physikalisch verschlechtern, sind sie relativ billig, so daß ein planmäßiger periodischer Aus tausch, z. B. nach ungefähr jeder tausendsten Analyse vorgenommen werden kann, aber bis jetzt haben Anwender noch niemals irgendein Crystolon Siliciumcarbid ersetzen müssen. Andere mikrowellen absorbierenden Heizelemente, die Verwendung finden können, umfassen Ferrite, Granatsteine und ähnliche zum Stand der Technik gehörende Materialien.

Das Thermoelement, welches Verwendung findet, um die Temperatur im Ofen während dessen Mikrowellenaufhei zung zu messen, kann ein beliebiges geeignetes solches Thermoelement sein, welches der Veraschungs temperatur widersteht und von beliebigen Verbren nungsprodukten und anderen Gasen nicht beeinflußt wird, die von dem Veraschungsmaterial während dessen Veraschung freigesetzt werden. Ein Thermoelement vom Typ K (chromel-alumel) ist für erfindungsgemäße Ge räte als zufriedenstellend ermittelt worden. Während des Einsatzes umfaßt das Thermoelement eine feste Hülle, welche elektrisch mit der Kammerwand geerdet ist. Es hat sich in der Praxis herausgestellt, daß die Funktionsfähigkeit und Genauigkeit des Thermo elementes nicht nachteilig durch die Mikrowellen strahlung beeinträchtigt wurde. An Stelle des Thermoelementes können andere Temperaturmeßeinrich tungen verwendet werden (mit der Temperatursteue rung), um den Magnetronstrom an- und auszustellen und dadurch die Ofentemperatur zu regeln. Sie können Infrarotsensoren, dampfdruckabhängige Schalter, Bi metallschalter und ausdehnungsabhängige Anzeigen sein, die alle jeweils angemessen in dem Gerät an geordnet werden und an einen empfindlichen Tempera turregler angeschlossen werden, welcher jedes be liebige empfangene Signal in An-/Ausimpulse oder Anweisungen an den Magnetronschalter umsetzen kann.

Der Temperaturregler ist ein elektronisches In strument von herkömmlichem Zuschnitt, welches eine elektrische Versorgungsleitung für das Magnettron öffnet und schließt in Abhängigkeit von einem elek trischen Signal von dem Thermoelement. Darauf wird später weiter eingegangen werden, wenn dessen Pro grammierung genauer beschrieben wird. Jedoch können auch andere Formen von Reglern verwendet werden mit anderen Temperaturmeßeinrichtungen.

Die zu veraschende Probe sollte nicht direkt auf den Heizelementen oder dem mikrowellendurchlässigen Wandmaterial des Ofens angeordnet werden, wie offen sichtlich ist, und daher wird eine Unterlage für die Probe verwendet. Eine solche Unterlage sollte vorzugs weise leichtgewichtig sein und muß den hohen Ver aschungstemperaturen widerstehen. Weiterhin sollte sie mikrowellendurchlässig, vorzugsweise mikrowellen transparent oder im wesentlichen mikrowellentrans parent sein (üblicherweise 95% und vorzugsweise über 99% dieser Strahlung durchlassen), und sie sollte keinen Durchlaß für die zu veraschende Probe oder die sich daraus ergebende Asche gewähren. Ein geeignetes Stütz- oder Behältermaterial für die zu veraschende Probe ist ein leichtgewichtiges Filter material aus Quarzmikrofasern (Mikron-Größe). Die Mikrofaserquarzlage wird vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0,2 bis 0,7 mm aufweisen und eine sol che Porosität, daß der Druckabfall an ihr 1 bis 5 mm Quecksilber bei 5 cm/sec Anströmgeschwindigkeit von Luft beträgt, daß sie hochtemperaturbeständig ist, beispielsweise bis zu 500°C ohne nachteilige Effekte, daß sie mikrongroße Partikel zurückhält, daß sie Mikrowellenstrahlung durchläßt und daß ihr Gewicht im Bereich von 50 bis 200 g/m² liegt. Das Material wird vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0,3 bis 0,6 mm aufweisen und einen Druckabfall von 2 bis 4 mm Quecksilber bei 5 cm/sec Anströmge schwindigkeit von Luft, daß es hohen Temperaturen bis zu 1000°C, wenn auch mit einer gewissen Ver sprödung widersteht und über 99% von mikrongroßen Partikeln zurückhält, daß es transparent für Mikro wellenstrahlung ist und ein Gewicht im Bereich von 75 bis 125 g/m² aufweist. Ein solcher Behälter wird üblicherweise im Bereich von 0,2 bis 0,6 g wiegen, vorzugsweise 0,3 bis 0,5 g.

Ein sehr geeignetes Konstruktionsmaterial für die erfindungsgemäßen Behälter wird von Whatman Laboratory Products, Inc., Clifton, New Jersey, verkauft für den Einsatz als Luftverschmutzungs filter unter dem Namen "Whatman Ultra-Pure QM-A Quartz Filters", die in deren Veröffentlichung Nr. 860-QM-AA beschrieben sind. Entsprechend dieser Veröffentlichung ist das beschriebene Material ein ultrareines Quarzmikrofaserfilterblatt, welches einen kleinen Anteil (5%) von konventionellen Borosilicat-Glasmikrofasern enthält, die in diesem Blatt für Zwecke der Papierherstellung enthalten sind. Die Veröffentlichung beschreibt nicht die Verwendung des erwähnten Materials als Behälter oder schlägt diese nicht vor, bezieht sich auch nicht auf Veraschung von Analysenproben und erwähnt nicht die Verwendung von Mikrowellenaufheizung für die Veraschung solcher Proben oder für die Ver aschung anderer Materialien. Entsprechend der Whatman-Veröffentlichung beträgt das Gewicht des QM-A-Quarzfilters 85 g/m², seine Dicke beträgt 0,45 mm, es hält 99,999% von 0,6 mikron großen Par tikeln bei 5 cm/sec Anströmgeschwindigkeit von Luft zurück. Es weist eine Trockenreißfähigkeit für einen 1,5 cm breiten Streifen von 250 bis 300 g auf, und es kann maximal Temperaturen von 500°C widerstehen.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Behälter wird ein relativ einfaches Verfahren verwendet, bei dem eine nicht gewobene Lage des beschriebenen Mikro faserquarzes gestaltet, befeuchtet, geformt, be schnitten, von einer Ronde entfernt, luftgetrocknet und gebrannt wird. Wenn die Rückhalte- und Ronden materialien ausreichend hitzebeständig ist bzw. sind, kann das Brennen stattfinden während das Lagenmaterial auf der Ronde in seiner Stellung ge halten wird. Ein solches Erhitzen muß mit ausrei chend hoher Temperatur erfolgen, um einen formbe ständigen Behälter zu erhalten, wobei die Tempera turen normalerweise mindestens 400°C aber vorzugs weise im Bereich von 500 bis 1200°C betragen werden. Die Heizzeit und die erwünschte Behandlungstempera tur werden normalerweise im Bereich von 1 bis 20 Minuten liegen, wobei Bereiche von 1 bis 15 Minuten und 5 bis 12 Minuten vorgezogen und besonders vorge zogen werden. Zum Beispiel wird eine 10-minütige Heizdauer bei ungefähr 800 bis 900°C oft verwendet. Es wurde die Theorie erstellt, daß während dieses Behandlungsverfahrens die Borosilicat-Glaskomponente des mikroporösen Quarzfiltermaterials entfernt wird und einen geformten Behälter von Quarzfasern zurück läßt, welche noch porös sind und die sogar hitzebe ständiger sind als das Ausgangsmaterial.

Das beschriebene Aufheizen oder Brennen des Behäl ters kann in verschiedenen Heizeinrichtungen bewirkt werden einschließlich Öfen und Muffelöfen, aber vor zugsweise wird es in einem Mikrowellenveraschungs ofen von dem Typ durchgeführt, in dem der Behälter hauptsächlich eingesetzt werden soll. Vorzugsweise wird das Aufheizen bis zu einer Temperatur statt finden, die zumindest so hoch ist wie die, zu welcher der Behälter während den Veraschungsver fahren aufgeheizt werden wird, aber niedrigere Tem peraturen können ebenso ausreichen. Das Lagenmate rial kann vor der Formgebung angefeuchtet werden, ebenso wie nachher, und dieses Anfeuchten kann durch Besprühen, Aufstreichen oder Eintauchen erfolgen. Es wird üblicherweise vorgezogen werden, den Betrag der auf das zu verformende mikroporöse Quarzmaterial aufzubringenden Feuchtigkeit auf den Betrag zu be grenzen, der wirksam seine Verformung in die ge wünschte Behälterform erleichtert, wobei dieser Be trag üblicherweise der sein wird, welcher ausreicht, um das gesamte Material anzufeuchten. Das Trocknen vor dem Brennen kann auf der oder entfernt von der Ronde durchgeführt werden und kann durch Heißluft, Strah lungsaufheizung oder andere Mittel erfolgen, zusätz lich zu einem Umgebungslufttrocknen.

Wenn eine Ronde oder eine andere Form für die mikro poröse Lage nicht während des Brennens zu einer formbeständigen Anordnung verwendet wird, z. B. wenn eine Form einer sich nach oben erweiternden Schüssel erwünscht wird, kann die Lage zu solch einer Form verformt werden, und während des Heizens können ihre äußeren Kanten nicht unterstützt oder unterstützt werden, wie durch die Oberwände eines größeren Zylinders. Verschiedenste Typen von Formen können verwendet werden einschließlich Röhren, zwischen denen die gewünschten Behälterwände während des Heizens gehalten werden, aber für die Herstellung der bevorzugten relativ kurzen zylin drischen Behälter wird vorzugsweise eine zylin drische Ronde ähnlich der in Fig. 9 dargestellten verwendet werden. Eine solche Ronde kann aus jedem geeigneten Material bestehen einschließlich verschiedener Gläser, Kunststoffe, Metalle und Legierungen, wie beispielsweise Kupfer, Messing, Stahl und rostfreier Stahl, aber wenn die Ronde während des Brennens an ihrer Stelle verbleiben soll, sollte sie ebenfalls hitzebeständig sein. Wenn das Aufheizen der verformten Lage an der Form in einem Mikrowellenveraschungsgerät durchgeführt werden soll, in dem die Anwesenheit von Metallen oft vermieden werden wird, besteht die Form vorzugsweise aus einem mikrowellentransparenten Material, wie Quarz, obwohl verschiedene Keramiken und Gläser ebenso unter den geeigneten Umständen verwendet werden können. Welches Brennverfahren auch immer angewendet werden wird, es wird zufriedenstellend sein, so lange die Behälterwand nicht zusammenbricht oder sich unerwünscht verformt.

Das Aufheizen oder Brennen wird vorzugsweise in einem Mikrowellenveraschungsgerät vorgenommen, wie dem in dieser Anmeldung beschriebenen, dessen Funk tionsweise zufriedenstellend ist und die herge stellten Behälter einem Test aussetzt, der nahezu die wirklichen Einsatzbedingungen nachahmt. Das Heizen in einem solchen Gerät wird üblicherweise im Bereich von 800 bis 1000°C, beispielsweise 850 oder 950°C, stattfinden, aber kann auch in dem oben er wähnten Bereich von 500 bis 1200°C stattfinden und kann ebenso bei niedrigen Temperaturen wie 400°C oder bei hohen wie 1600°C unter einigen Umständen erfolgen.

Von den oben genannten Temperaturen liegen viele oberhalb der Maximaltemperatur, die von dem Her steller der Quarzfilter angegeben worden ist und die bei 500°C liegt. Der Anmelder hat überraschend her ausgefunden, daß solche Behälter formbeständig ge macht werden können, in dem sie auf Temperaturen aufgeheizt werden, die nahe an oder oberhalb der Temperatur liegen, welche von dem Hersteller als die Maximaltemperatur angegeben worden ist, bis zu welcher die Filter angehoben werden sollten. Während solcher Heizverfahren wird das ursprünglich flache Blatt von Filtermaterial in einen formbeständigen Behälter verwandelt, der dazu dient, zu veraschende Proben für Mikrowellenveraschungsverfahren aufzu nehmen. Eine solche Dauerverformung des Blattma terials findet bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes von Quarz statt, und das poröse Blatt verliert seine Porosität nicht aufgrund von Ver schmelzung. Es scheint, daß die Anwesenheit des kleinen Anteils von Borosilicat-Glasmikrofasern in der Quarzlage bei der Herstellung der erfindungsge mäßen Behälter hilfreich ist, aber es wird nicht an genommen, daß dieses wesentlich ist, um das ge wünschte Ergebnis zu erzielen. Es wird angenommen, daß andere Gläser das Borosilicatglas ersetzen können oder das solche Gläser weggelassen werden können und immer noch nützliche formbeständige Be hälter für Mikrowellenaschenanalyse hergestellt werden können, aber es wird vorzugsweise das be schriebene Ausgangsmaterial verwendet, welches einen kleinen Anteil, zwischen 1 und 10% üblicherweise, von Borosilicat-Glasmikrofasern enthält.

Nachdem das Heizen beendet ist, wird der Behälter von der Hitzequelle entfernt und an der Luft bei Raumtemperatur abgekühlt. Ein langsames Abkühlen wird bevorzugt, um Spannungen zu mildern und starke Versprödung zu verhindern. Abkühlzeiten (bis auf Raumtemperatur) von 30 Sekunden bis 10 Minuten werden als sinnvoll angesehen, um zufriedenstellende Mikrowellenveraschungsbehälter herzustellen.

Ein relativ geringer Nachteil des erwähnten Quarz filtermaterials liegt darin, daß es anscheinend kristallisiert und spröde wird, wenn es für relativ lange Zeit höheren Temperaturen, wie denen über 500°C ausgesetzt wird. Jedoch kann es verwendet werden, um die zu veraschende Probe aufzunehmen und es kann wiederholt verwendet werden, wenn entspre chende Vorsicht waltet. Es wird geschätzt, daß zwischen 5 und 50 Analysen durchgeführt werden können, bevor ein neuer Behälter von Quarzfilter material in Dienst gehen sollte. Diese Gegenstände sind relativ preiswert, und dementsprechend wird dieser "Nachteil" als nicht schwerwiegend angesehen. Ein bevorzugter Behälter für die zu veraschende Pro be wird in den Fig. 4 und 7 bis 9 dargestellt.

Andere Behälter aus nicht porösem Material können verwendet werden, um zu veraschende Proben während der Veraschung aufzunehmen, wie beispielsweise Tiegel, die aus Quarz, Borosilicatglas, Keramik, Porzellan und Platin bestehen, aber die Verwendungen dieser sind normalerweise auf bestimmte Verschmel zungen und "Trockenveraschungen" beschränkt. Aus weiter unten ausgeführten Gründen sind solche Be hälter nicht für normale Mikrowellenveraschungen ge eignet wie Unterlagen und Behälter, die aus dem be schriebenen Quarzmikrofaserfiltermaterial herge stellt sind.

Praktisch alle Materialien, die innerhalb des dem erfindungsgemäßen Gerät zugänglichen Temperaturbe reiches verascht werden können, können in diesem zufriedenstellend verascht werden. Unter diesen Materialien können z. B. die erwähnten synthetischen organischen Polymere, Abwasserschlämme, belebte Schlämme, Industrieabfälle, Fluß-, See- und Strom bodensedimente, Kohlen, Lebensmittel, Papiere und Baustoffe sein. Oft liegt der Aschenanteil solcher Materialien so niedrig wie weniger als 1 oder 0,1%, aber er kann auch höher sein, sogar 10% oder mehr, und das erfindungsgemäße Gerät wird reproduzierbar und genau solche verschiedenen Materialien veraschen und alle Asche in den beschriebenen porösen Behältern zurückhalten.

Um das dargestellte und beschriebene Gerät aufzu bauen und zu betreiben, sollte dem folgenden Ver fahren gefolgt werden:

1. Wenn das Thermoelement nicht an Ort und Stelle ist, sollte es in die die Mikrowellen zurückhal tende Kammer eingesetzt werden, wie in den Fig. 1, 2, 4 und 5 dargestellt und wie oben beschrie ben. Die feste Hülle des Thermoelementes sollte korrekt mit der Kammerwand oder anderen Erdungs orten geerdet werden, um einen möglichen Schaden des Temperaturreglers zu verhindern,
2. das Gitter 73 und den hitzebeständigen Stütz block 71 auf dem Boden der Kammer anordnen,
3. den oberen Abschnitt 57 des Veraschungsofen ent fernen und ihn in der Kammer unter dem Thermo element anordnen,
4. das Loch in dem oberen Abschnitt des Ofens mit dem Thermoelement ausrichten und den oberen Abschnitt aufwärts bewegen, so daß das Thermo element in dem Ofenhohlraum 23 liegt, welcher durch das Einsetzen des unteren Ofenabschnittes 59 geschaffen wird,
5. während der obere Abschnitt des Ofens hochgehal ten wird, den unteren Abschnitt in die Kammer schieben und ihn mit dem oberen Abschnitt aus richten,
6. den oberen Abschnitt des Ofens absenken auf den unteren Abschnitt. Das Thermoelement sollte sich in den Hohlraum des Veraschungsofens ungefähr 1 cm weit erstrecken, aber diese Entfernung kann nach Wunsch eingestellt werden, abhängig von den Auswertungen der Analysenresultate, und kann innerhalb von 0,8 bis 5 cm von der Oberkante des Ofeninnenraumes liegen, vorzugsweise 0,8 bis 3 cm für den beschriebenen Ofen,
7. die Tür 35 in ihrer geschlossenen Stellung an dem Veraschungsofen anbringen,
8. den Temperaturregler oben auf der die Mikro wellen zurückhaltenden Kammer anordnen und den Thermoelementstecker in die Rückseite des Reglers einsetzen und das Temperaturreglerkabel an das Mikrowellensystem anschließen, wie in Fig. 5 dargestellt,
9. die Netzkabelstecker (nicht dargestellt) des Mi krowellensystems und des Reglers in passende elektrische Anschlüsse einsetzen und den Netz schalter des Reglers in die "Ein"-Stellung stel len,
10. um die erforderliche Zeit für das Erhitzen der zu veraschenden Proben zu minimieren, den Ver aschungsofen von der Raumtemperatur auf die ge wünschte Veraschungstemperatur vorheizen, wobei die gewünschte Veraschungstemperatur in den Tem peraturregler eingegeben wird, wie weiter unten beschrieben. Anschließend das Mikrowellensystem auf 60 Minuten von Mikrowellenerhitzung program mieren und die Leistung auf 100% einstellen. Die Starttaste drücken und den Ofen vorheizen lassen. Der Ofen wird üblicherweise eine Betriebstemperatur von ungefähr 950°C innerhalb von 30 Min. erreichen oder eine von ungefähr 1200°C innerhalb einer Stunde. Falls die Ofen temperatur länger als 60 Minuten gehalten werden soll, können die Mikrowellensystemregler für eine solch längere Zeit programmiert werden. Ebenso kann die Veraschungsofentemperatur umpro grammiert werden entsprechend dem Steuerungspro grammierverfahren, wie weiter unten beschrieben,
11. die Menge der zu veraschenden Probe in den Be hälter geben, oder wenn mehrere Proben gleich zeitig verascht werden sollen, diese in mehrere Behälter geben,
12. die Stoptaste drücken, die Kammertür öffnen, die Ofentür entfernen und den oder die Behälter der zu veraschenden Probe oder Proben in das Ofen innere einbringen, unter der Verwendung von Zan gen. Die Ofentür wieder einsetzen, wobei sie ge schlossen oder leicht geöffnet bleibt, falls dies vorgezogen wird, und dann die Kammertür schließen,
13. Reset-Knopf drücken und die Starttaste drücken, wodurch das Magnetron angestellt wird und das Aufheizen der Probe oder Proben beginnt,
14. nach Beendigung der Veraschung, die üblicher weise um 10 Minuten bei der gewünschten Tempe ratur dauert, die Stop-Taste drücken, die Kammertür öffnen und die Ofentür entfernen (was trotz der hohen inneren Ofentemperatur einfach von Hand erfolgen kann). Zangen verwenden, um den oder die Aschebehälter zu entfernen und diese oder diesen auf Raumtemperatur abkühlen lassen. Die Ofentür nach dem Entfernen des oder der Behälter wieder einsetzen, um einen Hitze schaden der Kammertür zu verhindern. Dann die Kammertür schließen und die Starttaste drücken, um den Ofen auf Veraschungstemperatur zu halten.

Es folgt eine Beschreibung des Verfahrens, welches angewendet werden soll, um den Temperaturregler zu programmieren.

1. Den Thermoelementstecker in den Regler ein setzen, die S-Taste des Reglers drücken, und 0 wird auf der Regleranzeige erscheinen. Die Er höhungstaste drücken und sie festhalten, bis 28 auf der Anzeige erscheint, wenn über 28 hinaus gegangen wurde, die Absenktaste drücken, bis 28 erreicht ist,
2. die S-Taste drücken und Grad Celsius oder Grad Fahrenheit wird angezeigt
- a) wenn °C angezeigt wird und °C die gewünschte Anzeige ist, mit Schritt 3. fortfahren,
- b) wenn C erscheint und °F die gewünschte An zeige ist, die Absenktaste drücken und °F wird angezeigt werden, anschließend mit Schritt 3. fortfahren,
- c) wenn °F erscheint und °F die gewünschte Anzeige ist, mit Schritt 3. fortfahren,
- d) wenn °F erscheint und °C die gewünschte Anzeige ist, die Erhöhungstaste drücken und °C wird angezeigt werden, anschließend mit Schritt 3. fortfahren,
3. die S-Taste drücken und SP1H wird momentan er scheinen. Die Erhöhungs- oder Absenktaste drücken, bis der gewünschte Temperatureinstell punkt erscheint. Dieses stellt die obere Temperaturgrenze SP1H ein. Die maximale Betriebs temperatur ist in den Reglerschaltkreis inte griert, beispielsweise kann sie bei 1200°C in einigen Fällen liegen oder bei 1650°C in ande ren, abhängig von der Konstruktion des Gerätes,
4. die S-Taste drücken und SP1L wird momentan er scheinen. Dann die Erhöhungs- oder Absenktaste drücken bis 0 erscheint. Dieses setzt die untere Temperaturgrenze SP1L,
5. die S-Taste drücken und SP2H wird momentan er scheinen. Dann die Erhöhungstaste drücken, bis 2499, der maximale Wert, erscheint. Dieses setzt den oberen Grenzwert SP2H, welcher in dem Pro gramm nicht verwendet wird, der aber nötig ist, um die Einheit korrekt zu betreiben,
6. die S-Taste drücken und SP2L wird momentan er scheinen. Dann die Anstiegs- oder Absenktaste drücken bis 0 erscheint. Dieses setzt den unte ren Grenzwert SP2L, der ebenfalls nicht in dem Programm verwendet wird, der aber nötig ist, um die Einheit zu korrekt zu betreiben,
7. die S-Taste drücken und HYS wird momentan er scheinen. Dann die Anstiegs- oder Absenktaste drücken, bis 1 erscheint, dieses setzt die Be triebsschwankungsbreite auf maximale Verfahrens genauigkeit,
8. schließlich die S-Taste drücken und RUN er scheint momentan, die wirkliche Temperatur des Veraschungsofens wird dann erscheinen. Die Pro grammierung des Reglers ist nun beendet. Eine solche Programmierung muß innerhalb von 2 Minu ten beendet sein oder der Regler wird den Pro grammiermodus beenden, und es wird nötig sein, die Schritte 1 bis 8 zu wiederholen.

Durch die Ausführung der unmittelbar vorher be schriebenen Anleitungen (Schritte 1 bis 8) zum Pro grammieren des Reglers werden obere und untere Tem peraturgrenzen in das Reglerprogramm eingegeben. Diese festgelegten Punkte können identisch sein, wobei in diesem Fall dann, wenn die gemessene Tempe ratur unter einen vorgegebenen Hysterese-Wert fällt (welcher üblicherweise 2 oder 3°C beträgt), das Mag netron wieder angeschaltet wird, und es wird aus geschaltet, wenn die gemessene Temperatur über den selben Wert oberhalb der festgelegten Temperatur an steigt.

Das erfindungsgemäße Veraschungsgerät wird gesteuert durch eine Kombination von Temperaturregler und einem Ein-Chip-Mikroprozessor. Der Mikroprozessor führt Anweisungen von vorgegebenen Werten in einem integrierten EPROM aus. Während des Betriebes empfängt der Mikroprozessor Befehle und Zeitdaten von einer Bedienperson durch das Mikorwelleninstru ment oder die Systemtastatur. Die Bedienperson kann eine Antwort auf die meisten Befehle an dem zuge hörigen 20-stelligen alphanumerischen Display ab lesen.

Wenn die Bedienperson die Zeitdaten an der Tastatur eingibt, werden diese Daten in einem zeitweiligen RAM-Speicher gespeichert. Nachdem die Zeit für die Stufe 1 eingegeben ist, ermöglicht der Mikroprozes sor die Eingabe eines Startbefehles. Wenn Start ge drückt wird, ändert der Mikroprozessor eine seiner Ausgangsleitungen von "Hoch" nach "Niedrig" und beginnt mit einem Zeitcountdown. Dieses digitale "Niedrig" ist durch einen Satz von normalerweise geschlossenen Kontakten im Temperaturregler und dann mit dem Mikrowellen-Festkörperrelais (SSR) verdrahtet. Dieses "Niedrig" stellt das SSR an, welches die Mikrowellen leistung steuert. Das SSR wiederum schaltet dann den Wechselstrom (AC) zu dem Mikrowellen-Hochspannungsbe reich an, und das Magnetron erzeugt Mikrowellenener gie.

In den Ofenhohlraum gerichtete Mikrowellenergie heizt die Heizelemente des Veraschungsofens auf, wobei diese den Ofenhohlraum und die zu veraschende Probe aufheizen. Das Thermoelement ermittelt die Tempe ratur des Veraschungsofens, und der Ausgang des Thermoelementes ist mit dem Temperaturregler ver bunden, der ständig die gemessene Temperatur mit der festgesetzten Temperatur vergleicht, die vorher ein gegeben worden war. Wenn die gemessene Temperatur dem festgesetzten Temperaturpunkt gleicht, öffnet der Temperaturregler den normalerweise geschlossenen Kontakt und unterbricht das Digitalsignal, das vor her das SSR eingeschaltet hatte. Ohne dieses Signal endet die Mikrowellenenergie, und der Veraschungs ofen hält an diesem festgelegten Temperaturpunkt und beginnt langsam abzukühlen. Wenn die gemessene Temperatur unter einen vorgegebenen Hysterese-Wert (üblicherweise 2 bis 3°C) fällt, schließt der Reg ler den geöffneten Kontakt, und das SSR wird einge schaltet. Die Mikrowellenenergie hebt dann die Tem peratur des Veraschungsofens bis auf den vorgege benen Temperaturwert an. Diese Vorgänge wiederholen sich, bis die gesamte Heizzeit, wie sie von der Bedienperson festgelegt wurde, herabgezählt worden ist auf 0. Der Mikroprozessor ändert das Digi talsignal zurück auf einen hohen Zustand, und die Mikrowellenerhitzung und Regelung enden. Zu jedem beliebigen Zeitpunkt während des "count downs" kann die Bedienperson die Stoptaste drücken, um den "count down" anzuhalten und den Heizvorgang zu beenden, wenn dieses gewünscht werden sollte.

In der obigen Beschreibung ist der Temperaturregler von dem Mikrowelleninstrument (CEM Mikrowellentrock nungs/Aufschlußsystem MDS-81) getrennt, da das MDS-81 System eine verfügbare "Hardware" darstellte, die in Verbindung mit einem weniger komplexen neuen Reg ler verwendet werden konnte. Es liegt jedoch im Rahmen der Erfindung, den Temperaturregler in das Mikrowelleninstrument einzubinden.

Eine zu veraschende Probe in dem erfindungsgemäßen Gerät zu veraschen, stellt einen einfachen Vorgang dar. Es muß lediglich die Probe in einen geeigneten Behälter gebracht werden von dem oben beschriebenen Typ und in das Ofeninnere eingesetzt werden, die Ofentür und die Kammertür geschlossen werden und der Startknopf gedrückt werden. Nachdem die Veraschungs temperatur erreicht worden ist, werden die meisten Proben innerhalb von 10 Minuten komplett verascht sein, aber eine Beendigung der Veraschung kann da durch kontrolliert werden, daß die veraschte Probe (im Behälter, nach dem Abkühlen) gewogen und an schließend wieder gewogen wird, nachdem sie zu sätzlich den veraschenden Bedingungen ausgesetzt worden ist. Wenn das Gewicht nicht weiter abnimmt, ist die Veraschung beendet, und ebenso ist die Zeit beendet, die nötig ist, um die Veraschungen zu been den, obwohl üblicherweise zusätzliche Zeit, bei spielsweise eine Zugabe von 20% verwendet wird, um sicher zu gehen. Bei diesen Wägungen sollten die veraschte Probe und der Behälter nicht gewogen werden, sondern sollten für eine Wägung konditio niert werden, wie es im Stand der Technik bekannt ist, aber solche Konditionierungen geschehen sehr schnell mit der erfindungsgemäßen Unterstützung.

Normalerweise wird das erfindungsgemäße Gerät und Verfahren dazu verwendet, Materialien auf ihren Aschegehalt zu analysieren. In solchen Verfahren wird der Behälter ohne und mit der zu veraschenden Probe vor der Veraschung gewogen, und der Behälter mit der Asche wird nach abgeschlossener Veraschung gewogen. Der Prozentsatz von Asche in der ursprüng lichen Probe kann dann einfach berechnet werden, in dem das Aschegewicht durch das Probengewicht geteilt und mit 100 multipliziert wird. Jedoch ist es bei einigen Veraschungsvorgängen üblich, einen Dispergierstoff zu verwenden, wie beispielsweise Magnesiumacetat, welches mit seiner Wirkung die Ent stehung eines gläsernen oder glasähnlichen Rück stands in dem Veraschungsbehälter verhindert, wobei dieser Rückstand unveraschte Probenanteile enthalten kann. Ohne die Verwendung eines solchen Dispergier stoffes können falsche hohe oder niedrige Werte des Aschengehaltes erhalten werden. Wenn der Dispergier stoff verwendet wird, wird normalerweise zunächst ein Leerdurchgang durchgeführt, um zu bestimmen, wieviel von dem anscheinenden Aschengewicht in Wirklichkeit veraschter Dispergierstoff ist, und dieses Gewicht wird von dem scheinbaren Aschengewicht abgezogen, um das wahre Aschengewicht zu ergeben.

Obwohl in erfindungsgemäßen Veraschungsgeräten ver schiedene Probengewichte und verschiedene Behälter zahlen zu veraschender Proben verwendet werden können, wird man in ein typisches solcher Geräte, in welchem der Ofeninnenraum ungefähr 14 × 14 cm oder ungefähr 200 cm² groß ist, bis zu 4 oder 5 poröse, hitzebeständige und mikrowellendurchlässige Behälter für zu veraschende Proben laden, wobei diese Behäl ter vorzugsweise eine kurze zylindrische Form aufweisen mit einer Grundfläche von ungefähr 15 bis 25 cm 2 jeweils, z. B. 20 cm² und eine Höhe im Be reich von 0,8 bis 2 cm, z. B. ungefähr 1 oder 1,5 cm. Erwünscht ist ein so geringes Gewicht der Behälter wie möglich, üblicherweise im Bereich von 0,2 bis 1 g jeweils, vorzugsweise 0,3 bis 0,6 g, z. B. ungefähr 0,4 oder 0,5 g. Das Gewicht der zu veraschenden Probe wird üblicherweise im Bereich von 1 bis 10 g liegen, vorzugsweise im Bereich von 1,5 bis 6 g, z. B. um 2 oder 5 g. Die Aschenanteile kön nen hoch oder niedrig sein bis zu einem Maximum von ungefähr 50% und einem Minimum von 0,001% oder so gar geringer. Dieser wird für Materialien wie unge füllte synthetische Polymerkunststoffe und Kornmehl sorten, üblicherweise vergleichsweise niedrig liegen, normalerweise weniger als 5% und häufig weniger als 1%, wie beispielsweise von 0,01 bis 0,8%. Für die Ladungen von erwähntem zu veraschenden Material mit einem Aschegehalt in den erwähnten Bereichen wird normalerweise Magnesium acetat als Dispergierungsstoff verwendet, gelöst in Äthanol (95%), so daß die Äthanol-Lösung eine Mag nesiumacetatkonzentration von ungefähr 15 g pro Liter aufweist. Ungefähr 3 ml dieser Lösung werden auf die zu veraschende Probe getropft, während sie sich in dem Behälter befindet, und wenn der verwen dete Behälter porös ist und aus leichtgewichtigen, hitzebeständigen und mikrowellendurchlässigen Quarz mikrofasern besteht, wird diese Lösung die gesamte zu veraschende Probe befeuchten und ebenso die Fasern des Behälters aufgrund der Behälterporosität, der Eigenschaft von Mikrofaserquarz und des Behäl terdesigns, und der Alkohol entweicht während des Aufheizens in einer "sanften" Art, ohne Asche oder Probenteile aus dem Behälter zu tragen, während bei der Verwendung undurchdringlicher oder herkömm licher Behälter, wie z. B. Platintiegel, die Ver dampfung und Verbrennung des Alkohols oft plötz licher erfolgt und manchmal Mengenanteile der Proben aus dem Behälter ausgetragen werden und zu falschen Aschebestimmungen führen.

Die Veraschungstemperatur, wie sie für das Ofen innere festgelegt ist, liegt normalerweise im Be reich von 400 bis 1600°C, aber diese Temperatur sollte im Hinblick auf die Eigenschaften der zu veraschenden Probe und des Mikrowellenveraschungs gerätes gewählt werden. Viele Veraschungen und Ana lysen sind unterhalb von 1200°C durchführbar, und eine große Anzahl ist durchführbar im Bereich von 600 bis 1000°C, wie beispielsweise 950°C. Daher können Veraschungen von Weizen und anderen Kornmehl sorten bei ungefähr 870 oder 950°C durchgeführt werden, und Veraschungen von Polyäthylen und Poly propelen können bei ungefähr 550°C stattfinden. Die Veraschungszeiten können dementsprechend eingestellt werden, aber werden normalerweise im Bereich von 5 bis 20 Minuten, vorzugsweise 8 bis 15 Minuten, z. B. um 10 Minuten liegen. In einigen Fällen wird das Veraschungsgerät programmierbar sein, so daß die Ofentemperatur während des Verfahrens geändert werden wird. In einer solchen Situation kann die erste Heiz- oder Anstiegstemperatur vergleichsweise niedrig liegen, z. B. um 100°C um die Probe zu trocknen, wonach sie angehoben werden kann zur vollen Veraschungstemperatur.

Die vorliegende Erfindung weist viele deutliche Vor teile auf gegenüber Geräten und Verfahren zum ver aschen von Materialien, die zum Stand der Technik gehören und die solche Materialien auf Aschege halte analysieren. Es erfolgt automatisch und er laubt einer einzelnen Bedienperson eine Vielzahl von Veraschungsvorgängen und Analysen in einer Vielzahl von Veraschungsgeräten zu betreiben, wobei jede eine Vielzahl von Veraschungsproben enthalten kann. Das kontrollierte Aufheizen der zu veraschenden Probe ist sehr gleichmäßig, wobei wenig Hitze vom Ofen inneren verlorengeht, da dessen Wände eine sehr ge ringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen (und ebenso widerstandsfähig gegenüber chemischen Reaktionen mit Verbrennungsprodukten und Zersetzungsprodukten des veraschten Materials sind). Wenn der Behälter für die zu veraschende Probe aus einem porösen Blatt von Quarzmikrofasern besteht, kann - wie oben erwähnt - die Entfernung von Äthanol (und des zugehörigen kleinen Anteils von Wasser) von der Probe, die mit Dispergierungsstoff behandelt wurde, ohne die Not wendigkeit einer externen Zündung des Äthanols und ohne den Verlust von Probenmaterial in einer Art Explosion erfolgen, wie diese auftreten kann, wenn konventionelle Tiegel verwendet werden wie in kon ventionellen Muffelöfen. Zusätzlich dazu, daß die Analysen unter kontrollierbareren Bedingungen vorgenommen werden können, sind sie ebenso deutlich schneller als konventionelle Muffelöfenanalysen und die Resultate sind ebenso genau (tatsächlich wird angenommen, daß sie sogar noch genauer sind).

Das Gerät ist einfach aufzustellen und einfach zu verwenden. Es ist nicht nötig, über lange Zeit zu warten, bis Teile soweit abkühlen können, daß sie durch die Bedienperson gehandhabt werden können. Beispielsweise kann die Ofentür vom Ofen unmittelbar nach der Beendigung des Veraschungsvorganges von Hand entfernt werden, da trotz der hohen Innentem peraturen des Ofens die Tür und auch seine Außen wände nicht heiß genug sind, die Finger einer Be dienperson zu verbrennen, welche diese berührt. Dieses ist der geringen Wärmeleitfähigkeit des Baumaterials dieser Tür und der Ofenwände zuzu schreiben und der ständigen Kühlung dieser Ober flächen durch Luft, welche in der die Mikrowellen zurückhaltenden Kammer zirkuliert.

Der Luftstrom in den Ofen ist ebenso steuerbar und trägt zu einer schnelleren Veraschung bei als sie bisher erzielt wurde. Der Anteil der Luft, die in die Kammer gezogen wird, gelangt durch den Ofen, teilweise aufgrund eines Kamineffektes. Dadurch steigen Gase auf, die während der Veraschung der Probe entstanden sind und verlassen den Ofen durch dessen obere Abschnitte, wobei sie Ersatzluft nach sich in den Ofen durch dessen untere Abschnitte ziehen. Der Entlüftungskanal in dem Oberteil des Ofens (durch welchen der Geber des Thermoelementes verläuft) trägt Verbrennungsgase aus dem Ofen hinter dem Thermoelement aus, wobei die Bereiche des Thermoelementsensors eher in Kontakt mit dem zir kulierenden Gas als mit stillstehendem Gas gehalten werden, so daß die Temperatur an dem Sensor der tat sächlichen Ofentemperatur entspricht (und der Tempe ratur, die die zu veraschende Probe beaufschlagt). Die Durchflußrate der Luft durch den Ofen kann ver wendet werden, um die Veraschungsrate der zu ver aschenden Probe zu regulieren. Diese Rate wird ein fach dadurch eingestellt, daß die Ofentür einen Spalt weit offen bleibt, welches sogar während des Hochtemperaturheizens des Ofens durch Handbedienung erreicht werden kann, wobei ein Fingerkontakt mit dem Türgriff oder den Greifelementen hergestellt wird. Die Geschwindigkeit des Lüfters oder Gebläses kann ebenso geändert werden, um die Durchflußrate der Luft durch den Ofen zu ändern, aber dieses ist unnötig, da die Öffnung der Ofentür eine gute Steue rung ermöglicht.

Es mag überlegt werden, daß bei dem erfindungsge mäßen Gerät das "Mikrowellensystem" mit der Kammer, dem Gebläse, den Luftführungen und zugeordneten Teilen als eine Rauchhaube für den darin enthaltenen Mikrowellenofen dient, und zwar ohne die üblichen Platzerfordernisse einer solchen Rauch- oder Dunsthaube, ohne das unerwünschte Aufheizen des Laboratoriums aufgrund des Gebrauchs eines Muffel ofens und ohne die Gefahr von Verbrennungen für das Bedienpersonal bei Kontakten mit aufgeheizten Teilen.

Zusätzlich zu diesen Vorteilen der Aspekte des Hauptgerätes und des Verfahrens gemäß der Erfindung schafft der Veraschungsbehälter darüber hinaus spe zielle Vorteile, um die Einfachheit der Analysen, die Geschwindigkeit und die Genauigkeit zu verbes sern. Obwohl die Veraschungstemperatur in dem Mikro wellenveraschungsgerät über 500°C hinaus gehen kann, die als Maximaltemperatur von dem Filterhersteller genannt sind, wurde herausgefunden, daß die erfin dungsgemäßen Behälter zufriedenstellend bei Hochtem peraturveraschungen ohne eine Alterung verwendet werden können, die ausreichen würde, nachteilig die Genauigkeit der Aschegehaltsbestimmung zu beein flussen. Tatsächlich kann derselbe Behälter für eine Vielzahl von Mikrowellenveraschungsanalysen, oft mehr als 5 und bis zu 50, z. B. 10, verwendet werden. Bei zunehmenden Gebrauch mag der Behälter spröder werden, aber wenn er sorgfältig gehandhabt wird, kann er in der genannten Anzahl von Analysen verwen det werden, ohne die erwünschte Porosität für diese Veraschung zu verlieren, ohne zu brechen und ohne Proben- oder Aschenverluste aufgrund eines Lecks.

Zusätzlich zu dem unerwarteten Vorteil der Hochtem peratureignung besitzen die erfindungsgemäßen Be hälter verschiedene andere unerwartete Vorteile und Eigenschaften, die sie ideal für die Mikrowellenver aschung und Mikrowellenveraschungsanalysen geeignet sein läßt. Das verwendete Mikrofaserquarzmaterial ist porös und ermöglicht es der Luft, hindurchzu streichen, ohne einen Verlust von Probematerial oder Asche zu bewirken. Dies ist wichtig, da es die Zündung und, Oxydation der Probe begünstigt. (Der größte Teil der Asche liegt in der Form von Oxyden vor.) Wenn ein Dispergierungsstoff, wie Magnesium acetat in Äthanol verwendet wird, um die zu ver aschende Probe vor der Veraschung zu behandeln, trägt die Porosität des Behältermaterials (welche trotz seiner Hochtemperaturerhitzung in dem Formver fahren beibehalten wird) wahrscheinlich eher zu einem sanften Abflammen des Lösungsmittels bei als zu einer explosiven Verbrennung des Lösungsmittels, welche einiges des Probenmaterials wegtragen könnte. Dieses sanfte Abflammen scheint dadurch aufzutreten, daß das Äthanol der Magnesiumacetatlösung über den Behälter verteilt wird aufgrund der aufsaugenden Eigenschaften des Behälters. Das sanfte Abflammen oder diese sanfte Verbrennung kann ebenso teilweise der relativ geringen Höhe der Behälterwand zuge schrieben werden, die den Zustrom von Luft zu der Probe und zu dem anwesenden Äthanol erleichtert. Bei den erfindungsgemäßen Behältern kann dieses Abflam men im Ofen des Mikrowellengerätes während des auto matisierten Veraschungsvorgangs bewirkt werden, während bei der Verwendung von herkömmlichen nicht porösen Tiegeln aus Quarz, Porzellan oder Platin in Muffelöfen - oder wenn dies geeignet ist, in Mikro wellenveraschungsöfen - es üblicherweise wünschenswert ist, den Alkohol von der Probe zu entfernen, indem dieser außerhalb des Ofens abgeflammt wird, bevor der Veraschungsvorgang beginnt.

Zusätzlich dazu, daß sie porös sind, sind die erfin dungsgemäßen Behälter leichtgewichtig und von gerin ger Wärmeleitfähigkeit. Aufgrund ihrer Leichtgewich tigkeit liegt ihr Gewicht oft deutlich unterhalb dem der Probe und kann in einigen Fällen sogar geringer sein als das Aschengewicht, welches zu ge naueren Wiegungen der Probe und der Asche führt. Darüber hinaus kühlt der leichtgewichtige und poröse Behälter trotz seiner thermischen Leitfähigkeit schneller ab, wenn er aus dem Veraschungsofen ent fernt wird, so daß Zeit beim Abkühlen des Behälters und der Asche vor der Wiegung gespart wird, ver glichen mit der Verwendung eines herkömmlichen Tiegels. Die erfindungsgemäßen Behälter, die dünner als herkömmliche Tiegel und andere Behälter sind, geben Hitze von äußeren Hitzequellen leichter an veraschbare Proben ab, wie z. B. von mikrowellenabsor bierenden Heizelementen und hitzebeständigen Muffel öfenwänden.

Da die verwendeten Behälter Seitenwände auf weisen, sind sie den flachen blattartigen Stütz kissen überlegen, die in dem US-Patent 4 565 669 be schrieben sind und benötigen keine Abdeckkissen, um den Verlust von Feinstasche in die herausgeführte Luft zu verhindern, welche durch den Ofen und die Rückhaltekammer des Mikrowellenveraschungsgerätes streicht. Die Wand weist den gewünschten Effekt auf, oxydierende Luft zu der Probe zuzulassen, während sie gleichzeitig deren Geschwindigkeit verringert, um so einen Verlust von Asche aus dem Behälter zu verhindern. Als Sicherheitsmaßnahme kann jedoch, falls dies gewünscht wird, auf den erfindungsge mäßen Behältern eine Abdeckung verwendet werden, welche aus demselben Material hergestellt sein kann und welche passend geformt sein kann oder der aus einem offeneren poröseren Material oder Gitter her gestellt sein kann, vorzugsweise aus Quarzfilamen ten oder Fasern.

Die folgenden Beispiele illustrieren, beschränken jedoch nicht die Erfindung. Wenn nicht anders ange geben, sind alle Anteile als Gewichtsanteile und alle Temperaturen in °C angegeben.

Beispiel 1

Eine offizielle Probe von Getreidemehl wurde auf Asche analysiert, wobei das erfindungsgemäße Mikro wellenveraschungsgerät, wie oben beschrieben, ver wendet wurde, und die erhaltenen Ergebnisse wurden mit denen verglichen, die von Standardanalysen re sultierten, in denen eine Aufheizung mit Muffelöfen verwendet worden war. Zehn experimentelle Durchgänge wurden durchgeführt, wobei entweder einzelne Be hälter der Testprobe oder eine Vielzahl von solchen Behältern in dem Veraschungsgerät gleichzeitig ver wendet wurden. Das verwendete Weizenmehl entsprach dem Standard. Es war eine Kontrollprobe, die von der American Association of Cereal Chemists erhalten worden war. Das verwendete Veraschungsgerät war ein 1000 Watt CEM Corporation MDS-81 Mikrowellen trocknungs/Aufschlußssystem, abgeändert wie oben beschrieben und in Verbindung mit einem Thermoele ment, einem Temperaturregler und einem Ofen der oben beschriebenen Typen verwendet. Die Baumateria lien des Ofens waren ECCOFOAM Q-G für den Ofenkörper und die Tür, und Norton Co. Crystallon Grade 37C220 Siliciumcarbid für die Heizelemente. Die Grundfläche des Ofens ist ungefähr 200 cm² groß, wobei der Ofen innenraum ungefähr 14 × 14 cm im horizontalen Quer schnitt mißt und etwa 5 cm hoch ist. Das Thermoele ment ist ein "chromel-alumel" Typ, und der Schalt kreis entspricht dem von Fig. 6.

Das Mikrowellenveraschungsgerät ist auf eine Tempe ratur von 950°C eingestellt und ist auf diese Tempe ratur für etwa eine halbe Stunde vorgeheizt. Dann wird die Kammertür und die Ofentür geöffnet und ein mit Wand versehener Behälter mit der Probe wird in den Ofen eingesetzt, wobei Zangen verwendet werden. Der Behälter besteht aus einer Quarzmikrofaser filterlage, die vom Hersteller Whatman Laboratory Products Inc. QM-A bezeichnet wird und weist eine Form eines flachen Zylinders auf, der 5 cm im Durch messer mißt mit einer Wandhöhe von etwa 1,5 cm. Er enthält 2,1241 g einer Weizenmehlprobe und ungefähr 3 cm³ einer 15 g/l Magnesiumacetatlösung in Äthanol (95%), welche auf die Probe getropft worden war, um sie und die angrenzenden Behälterboden und -wände zu befeuchten. Nach dem Einsetzen des Probenbe hälters wird die Ofentür wieder eingesetzt in eine solche Stellung, daß ein Spalt von ungefähr 0,3 cm Breite zwischen der Tür und der Ofenwand verbleibt. Kurz nach der Zugabe des Behälters und der Testprobe zum Ofen brennt der Alkohol ohne Zwischenfälle ab. 10 Minuten nachdem der Ofen mit der Probe beladen wurde, werden die Türen geöffnet, und der Behälter wird entfernt, wobei Zangen verwendet werden, und in einem Trockner abgekühlt, was ungefähr 60 Sekunden dauert. Der Behälter wird dann mit der Asche und dem Rückstand an Magnesiumoxyd (von dem Magnesiumacetat) gewogen. Vorhergehend war der Behälter leer gewogen worden, und ein entsprechender Rückstand von Magnesi umoxyd war bestimmt worden für den Betrag von Magne siumacetatlösung, der verwendet worden war. Der Be trag an Asche lag bei 0,0112 g, und das Probenge wicht war 2,1241 g, so daß der prozentuale Aschen gehalt in der Probe 0,527% betrug.

Die obige Aschebestimmung wurde neunmal wiederholt zu insgesamt 10 solcher Bestimmungen. Die Ergebnisse dieser 10 Durchläufe sind in der Tabelle 1 unten wiedergegeben.

Wie von Tabelle 1 ersichtlich, liegt die höchste Bestimmung bei 0,539% und die niedrigste bei 0,513%. Der Durchschnitt liegt bei 0,524%. Nach Angaben der American Association of Cereal Chemists ergaben 51 Analysen mit Muffelöfenveraschungstechni ken, wobei eine Ofentemperatur von 871°C für eine Stunde verwendet wurde, ein höchstes Ergebnis von 0,550% und ein niedrigstes von 0,504% mit einem Durchschnitt von 0,530%. Es scheint daher, daß das Mikrowellenveraschungsgerät konstantere Ergebnisse erzielte und daß bewiesen wurde, daß es ausreichend genau ist, um als Ersatz für das Veraschungsver fahren mit Muffelöfen zu dienen.

Beispiel 2

Zwei zusätzliche Weizenmehlproben, die als B und C bezeichnet werden, wurden der Mikrowellenveraschung unterzogen, und die Aschgehalte dieser Proben wurden bestimmt und mit den Resultaten verglichen, die auf grund der Standardanalysen mit Muffelöfen erhalten wurden. Die dabei angewendeten Verfahren waren die selben wie die von Beispiel 1. Für die Probe B wurden drei Testdurchgänge gemacht, und die Ergeb nisse des Aschegehalts waren 0,508, 0,512 und 0,520% mit einem Durchschnitt von 0,513%. Der Aschegehalt aufgrund der Standardanalyse mit Muffel öfen lag bei 0,512%.

In drei Mikrowellenveraschungsanalysen der Probe C waren die Ergebnisse 0,724, 0,724 und 0,739% mit einem Durchschnitt von 0,729%. Die Standardanalyse derselben Probe ergab einen Aschegehalt von 0,730%.

Beispiel 3

Eine Polyäthylen-Probe wurde auf Asche unter sucht, wobei die in Beispiel 1 beschriebenen Geräte und Methoden verwendet wurden, jedoch das Magnesium acetat vermieden wurde. Drei Proben desselben Poly äthylens wurden getestet mit einer Veraschungstem peratur, die bei 550°C +/- 3°C für 10 Minuten ge halten wurde. Aschegehalte von 0,008%, 0,008% und 0,006% wurden erhalten mit einem Durchschnitt von 0,007%. Die verschiedenen Wiegungen für die drei durchgeführten Durchgänge sind in Tabelle 2 wieder geben, ebenso wie die Aschgehalte.

Tabelle 2

In der beschriebenen Weise für eine Ascheanalyse von Polyäthylen wurden 3 Proben von Polypropylenmaterial auf ihren Aschegehalt analysiert, wobei Gerät und Verfahren dieser Erfindung verwendet wurde. Die dann bestimmten Aschegehalte lagen bei 0,024%, 0,025% und 0,024% mit einem Durchschnitt von 0,024%. Die verschiedenen Wiegungen sind in Tabelle 3 ebenso wie die Aschegehalte wiedergeben.

Tabelle 3

Beispiel 4

Die beschriebenen Geräte und Verfahren zum Mikro wellenveraschen sind nützlich, um Mikrowellenasche analysen von verschiedenen anderen Materialien durchzuführen einschließlich anderen Lebensmitteln und anderen synthetischen organischen Polymeren, verschiedenen Schl 11573 00070 552 001000280000000200012000285911146200040 0002004000515 00004 11454ämmen und Wasserwegablagerungen, Papieren, Kohlesorten und Baumaterialien. Die Asche gehalte, die in Analysen dieser Materialien gefun den wurden, rangieren oft von weniger als 0,1% bis 10% oder mehr, und solche Analysen sind einfach durchzuführen und erzielen genaue Resultate ver glichen mit Standardanalysen im Muffelofen. Natür lich sind die Veraschungszeiten wesentlich redu ziert, verglichen mit den Zeiten der Muffelofen veraschung. Andere Veraschungstemperaturen sind an wendbar und reichen von 400 bis 1200°C, und Tempera turen sogar bis 1600°C sind durchführbar, wobei die Veraschungszeiten von 5 bis 20 Minuten reichen. Um Materialien bei solchen Höchsttemperaturen zu ver aschen, können einige Änderungen des Gerätes und des Mikrowelleninstrumentes wünschenswert sein.

Für die Durchführung dieser zusätzlichen Analysen kann die Gerätegröße geändert werden, die Watt leistung kann verändert und die Veraschungsverfahren können abgewandelt werden. Daher wird in manchen Fällen eine 600 Watt oder 900 Watt Grundeinheit (CEM MDS-81) verwendet werden, oder eine solche Basiseinheit wird ersetzt durch andere geeignete Mikrowelleninstrumente eines solch allgemeinen Typs, die nach den Bedürfnissen abgeändert sind. An Stelle der Verwendung des porösen Quarzmikrofaserbehälters, um die zu veraschende Probe aufzunehmen, kann ein Prozellan- oder Quarzbehälter oder ein aus einem anderen geeigneten Material geschaffener Behälter verwendet werden. In diesen Fällen kann das Ver aschungsverfahren abgewandelt werden durch die Zündung des Alkohols, der das Magnesiumacetat be gleitet (wenn solches verwendet wird), wobei dies außerhalb des Ofens geschieht (um einen Verlust der Probe aufgrund der manchmal plötzlichen Zündungen im Ofen zu verhindern). Manchmal, selbst wenn der poröse Quarzmikrofaserbehälter verwendet wird, kann es als wünschenswert angesehen werden, wenn irgend ein vorhandener Alkohol nicht zunächst durch Ver dampfung bei dem Aufheizen auf eine niedrige Tempe ratur verdampft wird, die Ofentür während des An heizens der Probe zu entfernen, so daß das Abflam men des Alkohols besser gesteuert und auf diese Weise ein Verlust des Probenmaterials verhindert werden kann.

Wie oben ausgeführt, können die Durchflußraten für die Luft durch den Ofen eingestellt werden, indem die Ofentür geöffnet oder geschlossen wird. Solche Durchflußraten hängen von dem Grad einer solchen Öffnung ab und ebenso von der Gesamtdurchflußrate durch die Kammer, die üblicherweise im Bereich von 1 bis 5 m³/min (Cu.m./min.) liegen. Die Gesamtluft strömung und die verschiedenen Öffnungen in und aus dem Ofen heraus werden in ihrer Zusammenwirkung ständig Luft in die Nähe des Materials transpor tieren, welches gerade verascht wird, so daß, wenn die Verbrennungsprodukte entfernt werden, diese durch frische Luft ersetzt werden. Trotz des relativ starken Luftstroms durch die Kammer kann die Veraschungstemperatur innerhalb des Ofens aufrechterhalten werden, aufgrund der guten iso lierenden Eigenschaften der Ofenwände und -tür und aufgrund des relativ kleinen Anteils von Gas, wel ches den Ofen während der Veraschung erreicht und verläßt, wobei das meiste der Luft um den Ofen herumstreicht.

Andere Abwandlungen des Gerätes und des Verfahrens schließen die Verwendung anderer strahlungsabsor bierender Materialien an Stelle von Siliziumcarbid ein, z. B. Ferrite, oder das Installieren eines Quarzfasersicherheitsgitters über dem Veraschungs behälter, die Verwendung einer strahlungsdurch lässigen Drehscheibe, um eine noch gleichmäßigere Aufheizung der zu veraschenden Probe zu erreichen, und eine Abwandlung der Größe und Form des Ofens, um eine gleichmäßige Heizung und Steuerung des Luft stroms durch diesen zu verbessern. Obwohl eine Dreh scheibe eine gleichmäßigere Aufheizung der die Mikrowellen absorbierenden Heizelemente fördern würde, wurde herausgefunden, daß die Ofentempera turen im wesentlichen durchgängig gleichmäßig sind und daß eine Vielzahl von zu veraschenden Proben gleichmäßig verascht werden. Dies kann den exzellenten isolierenden Eigenschaften des Quarz schaums (ECCOFOAM) Ofenmaterials zugeschrieben werden. Dementsprechend werden Drehscheiben und spezielle Strahlungsmischer nicht benötigt, aber in manchen Fällen verwendet.

Beispiel 5

Dieses Beispiel und die Beispiele 6 bis 8 beziehen sich auf die Herstellung und den analytischen Gebrauch der erfindungsgemäßen Veraschungsbehälter. Ein 9 × 9 cm großes Quadrat, bestehend aus Whatman Ultra-Pure QM-A Quarzfiltermaterial, welches eine nicht gewobene Lage von Quarzmikrofasern ist, wird um eine im wesentlichen zylindrische Glasform ge formt zu einem flachen Zylinder mit einer Basis von ungefähr 6 cm Durchmesser, und dann wird der Zylin der mit etwa 3,0 g Wasser angefeuchtet, welches da durch aufgebracht wird, daß es im wesentlichen gleichmäßig über die Oberflächen des Filtermaterials gesprüht wird. Ein elastisches Band wird dann auf die Zylinderwand aufgebracht, wie in Fig. 9 darge stellt, um diese Wand in ihrer Stellung zu halten. Die Zugabe von Wasser zum Filter hilft, diesen in der zylindrischen Form zu halten. Anschließend wird der Filter beschnitten und das elastische Band entfernt. Dann wird der Zylinder entfernt, luftgetrocknet und dann in einem Muffelofen für ungefähr 10 Minuten bei ungefähr 870°C geheizt (oder gebrannt), um ihn auszuhärten und zu trocknen, wonach er aus dem Muffelofen entfernt wird und an Luft mit Raumtempe ratur abgekühlt wird. Das Ergebnis ist ein formbe ständiger, hitzegeformter, kurzer zylindrischer Behälter, nützlich für die Mikrowellenveraschung von veraschbaren Materialien, wie z. B. analy tischen Proben. Der Behälter sieht aus wie der aus Fig. 8 und diejenigen aus Fig. 7. Obwohl der Be hälter formbeständig ist, behält er sogar während der Verwendung bei erhöhten Temperaturen als Be hälter für veraschbare Materialien, während deren Mikrowellenveraschung seine gewünschte Porosität.

Alternativ kann der Behälter in einem Mikrowellen veraschungsofen wie dem in Fig. 7 dargestellten bei einer höheren Temperatur, 950°C, gebrannt werden, und das Ergebnis ist das gleiche.

Beispiel 6

Ein Veraschungsbehälter in einer flachen zylin drischen Form, die im wesentlichen der der Beispiele 5 und 8 entspricht, wird hergestellt, indem ein 9 × 9 cm großes Quadrat desselben QM-A Filtermaterials mit derselben Wassermenge befeuchtet wird, mit Hilfe einer Quarzronde, wie in Fig. 9 dargestellt, geformt wird zu einem flachen Zylinder, wobei dieser Zylin der zu der gewünschten Höhe von 1,5 cm beschnitten wird und wobei seine Seitenwand an der Ronde mit Hilfe eines Quarzfadens gehalten wird, wie ebenfalls in Fig. 9 dargestellt ist. Der geformte Zylinder auf der Quarzronde wird dann einem Aushärteaufheizen bis zu einer Temperatur von 950°C für 10 Minuten in einem Mikrowellenofen wie dem von Fig. 7 unterzogen, wonach das Heizen beendet wird und die Ronde und der flache zylindrische Behälter aus dem Mikrowellenofen entfernt werden und in Luft mit Raumtemperatur abge kühlt werden. Nach dem Abkühlen wird der Behälter von der Ronde entfernt und ist gebrauchsfertig, wobei der Faden an seiner Stelle verbleiben kann oder nachdem dieser entfernt worden ist.

Beispiel 7

Dem in Beispiel 5 beschriebenen Behälter, der 0,50 g wiegt, wurden 2,01 g einer Kontrollprobe von Weizen mehl (von der American Association of Cereal Chemists) zugegeben, und dieser Probe in dem Behälter wurde ungefähr 3 ml einer 15 g/l Äthanol lösung (95% von Magnesiumacetat) zugegeben, um die gesamte Probe zu befeuchten (und auch, um einen Teil des Behälters zu befeuchten). Der Behälter der Testprobe, befeuchtet mit der Magnesiumacetat lösung, wird in den Mikrowellenveraschungsofen von Fig. 7 verbracht, nachdem dieser Ofen auf eine Temperatur von 935°C gebracht worden ist und nachdem das Heizen bei dieser Temperatur für 10 Minuten fortgesetzt worden ist. Dieses Heizen wird dann be endet und der Aschebehälter entfernt. Das Gewicht von Mehlasche und Magnesiumoxyd beträgt 0,02 g, und das Gewicht des Magnesiumoxyds (vorher experimen tell für die Menge der verwendeten Lösung erhalten) beträgt 0,01 g. Daher wiegt die Getreideasche 0,01 g, welches einem Ascheanteil von 0,05% entspricht, was sich mit den Ergebnissen deckt, die durch die Veraschungen mit einem Standardmuffelofen derselben Probe (über einen Zeitraum von 90 Minuten) erhalten wurden.

In Abwandlungen dieses Experiments werden Behälter, die nach dem in Beispiel 5 als alternativ beschrie benen Verfahren hergestellt worden sind und nach dem Verfahren, welches in Beispiel 6 illustriert ist, ausgetauscht, und die Ergebnisse sind die gleichen. Wenn eine Vielzahl von Proben gleichzeitig verascht wird in einer Vielzahl von solchen Behältern, in einem Mikrowellenveraschungsgerät, wie in Fig. 7 dargestellt, sind darüber hinaus genaue Ergebnisse für jede Probe ebenso erzielbar.

Beispiel 8

Erfindungsgemäße Behälter, die aus einem Mikrofaser filterpapier hergestellt worden sind, welches kein Borosilikatglas enthält (welches in dem QM-A Filter material anwesend ist), können ebenfalls in den be schriebenen Verfahren hergestellt werden, wobei ge eignete Heiztemperaturen im Bereich von 500 bis 1000°C verwendet werden, wie beispielsweise 950°C, und werden zufriedenstellend sein, selbst wenn nur die Hälfte des Wassers zugefügt wird, oder wenn gar kein Wasser vorher zugefügt wird (andere geeignete Flüssigkeiten, wie Äthanol können ersetzt sein). Solche Behälter können in Mikrowellenveraschungs geräten, wie dem in Fig. 7 dargestellten verwendet werden, und genaue Analysenergebnisse sind erziel bar, wie durch Vergleich mit Standardmuffel ofenanalysen derselben Testproben belegt werden kann.

Darüber hinaus können Ascheanalysen von anderen Ma terialien einschließlich anderen Getreidemehlsorten, synthetischen organischen polymerischen Kunst stoffen, wie Polyäthylen und Polypropylen, Stromsedimenten, Abwässerschlämmen, Kohle, Milch pulver und vielen anderen veraschbaren Materialien erfolgreich durchgeführt werden unter Verwendung der beschriebenen Verfahren und Geräte. In solchen Ver aschungen wird die Veraschungstemperatur innerhalb eines Bereiches von 500 bis 1000°C verändert, und die Veraschungszeiten werden ebenso verändert, üb licherweise von 8 bis 20 Minuten, was von der Mate rialsorte, die verascht werden soll, und ihrer Ver aschungstemperatur abhängt. In all diesen Fällen sind zufriedenstellende Veraschungen und Analysen die Ergebnisse, welche mit den Bestimmungen überein stimmen, die aufgrund von Verfahren mit Standard muffelöfen erzielt wurden, die auf dieselben Test proben angewandt wurden. Diese guten Ergebnisse werden ebenso erzielt, wenn der Zylinder durch eine flache zylindrische Abdeckung aus dem QM-A Filter material abgedeckt wird, jedoch ist die Verwendung einer solchen Abdeckung nicht notwendig (obwohl es als eine Sicherheitsmaßnahme angesehen werden kann, um sicherzustellen, daß keine Asche in der Abluft verloren geht).

Claims

1. Gerät (11, 111) zum Veraschen von verasch baren Proben, welches umfaßt:

- Eine mit Mikrowellen zurückhaltenden Wänden (13, 29, 31, 113) versehene Kammer (23, 118),
- eine Quelle von Mikrowellenstrahlung, um auf den Inhalt dieser Kammer zu strahlen,
- einen Ofen (17, 117) für die Veraschung innerhalb der Kammer (23, 118), der eine Ofenwand aus hitze beständigem Material um seinen inneren Ofenhohl raum (125) herum, eine Öffnung in dieser Wand zum Einsetzen und Entfernen einer veraschbaren Probe, und eine Ofentür (35, 123) aus hitzebeständigem Material, um die Öffnung in der Ofenwand zu verschließen und zu öffnen, aufweist,
- ein Mikrowellen absorbierendes Material (127), wel ches bis zu einer Veraschungstemperatur durch Mikrowellenstrahlung aufgeheizt werden kann, wobei das hitzebeständige Ofenwand- und Ofentür material im wesentlichen durchlässig für Mikrowellen strahlung ist, wobei das Mikrowellen absorbierende Material (127) des Ofens (17, 117) eine Oberfläche aufweist, die zum Ofenhohlraum (125) ausgerichtet ist, wobei die Mikrowellen zurückhaltende Kammerwand (13, 29, 31, 113) Einlaß- (25, 27, 131) und Auslaßöffnungen (33, 133) aufweist für den Durchlaß von Gas in die und aus der Kammer (125) um den Ofen (17, 117) herum, wobei ein Durchlaß durch den Ofen vorgesehen ist, um Gas in den Ofenhohlraum (125) zu führen und Gas aus diesem Ofenhohlraum (125) abzuführen,
- einen Temperatursensor, um die Temperatur im Ver aschungsofen (17, 117) zu messen,
- einen Regler, der mit dem Temperatursensor zu sammenwirkt, um die Quelle der Mikrowellenstrahlung ein- und auszuschalten und dadurch die Temperatur im Ofen (17, 117) zu regeln,
- elektrische Anschlußmittel (105, 107, 109), um den Regler (19) mit dem Temperatursensor zu verbinden,
- und eine Öffnung (47, 58) in einem oberen Abschnitt (57, 119) der hitzebeständigen Wand des Ofens (17, 117), wobei sich durch die von Wänden umgebene Öffnung (47, 58) der Temperatursensor erstreckt und die Öffnung (47, 58) größer ist als der Temperatur sensor, um so einen Durchlaß für Gas vom Ofenhohl raum (125) zu der Kammer (23, 118) durch einen Freiraum zwischen der Öffnung (47, 58) und dem Temperatursensor zu gewähren.

2. Gerät nach Anspruch 1, wobei der Temperatursensor ein Thermoelement (21, 114, 135) ist.

3. Gerät (11, 111) nach Anspruch 1, wobei die von Mikro wellen zurückhaltenden Wänden (13, 29, 31, 113) um gebene Kammer (23, 118) eine Kammertür (15, 115) aufweist, wobei diese Kammertür mit der Ofentür (35, 123) ausgerichtet ist, so daß ein einfacher Zugang zum Ofenhohlraum (125) erzielbar ist.

4. Gerät (11, 111) nach Anspruch 3, wobei die Ofenwand aus einem Quarz- oder Keramikschaum hergestellt ist, der bei Temperaturen von bis zu 1000°C in dem Ofenhohlraum (125) stabil ist, wobei das die Mikrowellen absorbierende Material (127) Siliciumcarbid ist, wobei die Quelle der Mikrowellenstrahlung ein Magnetron ist, und wobei die Temperatur in dem Ofenhohlraum (125) innerhalb von 10°C von einer festgelegten Veraschungs temperatur regelbar ist durch das Thermoelement (21, 114, 135) und den Regler, welche das Magnetron an schalten, wenn die Temperatur in dem Hohlraum (125) geringer als die vorgegebene Temperatur ist und welche es ausschalten, wenn die Temperatur in dem Hohlraum (125) höher als die vorgegebene Temperatur ist.

5. Gerät (11, 111) nach Anspruch 4, wobei die Wand des Ofens aus einem offenzelligen angeschmolzenen Quarzschaum besteht, der eine Dichte im Bereich von 0,3 bis 0,8 g/cm³ aufweist, wobei der offenzellige ver schmolzene Quarzschaum bei einer Ofenhohlraum temperatur von bis zu 1650°C stabil ist und die Ofen hohlraumtemperatur innerhalb von 5°C von einer vor gegebenen Veraschungstemperatur im Bereich von 600 bis 1000°C regelbar ist.

6. Gerät (11, 111) nach Anspruch 5, wobei die Ofenwand, die den Ofenhohlraum (125) bildet, sowie die Wand öffnung für die Ofentür (35, 123) aus oberen und unteren einteiligen Stücken (57, 59 bzw. 119, 121) des offen zelligen verschmolzenen Quarzschaums hergestellt sind und die Ofentür (35, 123) aus einem getrennten Stück desselben Materials besteht.

7. Gerät (11, 111) nach Anspruch 6, wobei die Ofenwand einen Ofenhohlraum (125) bildet mit oberen Boden- und Seitenabschnitten, wobei die Seiten und der Boden zumindest teilweise mit Siliciumcarbid gefüttert sind und wobei die Türöffnung (35, 123) in der Ofenwand einen im wesentlichen trapezoidförmigen horizontalen Quer schnitt aufweist und eine einfache Entfernung, ein teil weises Öffnen oder Schließung der Ofentür (35, 123) er leichtert.

8. Gerät (11, 111) nach Anspruch 7, worin der Bodenab schnitt (59, 121) des Ofens (17, 117) Nuten (61, 69) für das Einsetzen von Siliciumcarbidstreifen oder -platten (62, 64, 66, 67, 68, 127) umfaßt, und wobei die Ofentür (35, 123) Handgriff- oder Greifmittel umfaßt, um das Halten der Ofentür (35, 123) zu vereinfachen, wenn sie geöffnet oder geschlossen wird.

9. Gerät (11, 111) nach Anspruch 8, wobei im Ofenhohl raum (125) zumindest ein hitzebeständiger Behälter (75, 129) zur Aufnahme einer oder mehrerer Analyseproben anwesend ist.

10. Gerät (11, 111) nach Anspruch 1 oder 9, wobei der Behälter (75, 129) für die Analysenprobe ein leichtge wichtiger mit Wand (141) versehener Behälter (75, 129) ist aus im wesentlichen mikrowellentransparenten Quarzmikrofasern, durch die ein Gasstrom fließen kann, die aber den Durchlaß von Asche verhindern.

11. Gerät (11, 111) nach Anspruch 1, wobei die Ofentür (35, 123) entfernbar ist, um die Beschickung des Ofens (17, 117) mit Behältern (75, 129) von veraschbaren Proben und die Entfernung solcher Behälter (75, 129) nach den Veraschungen zu erleichtern, wenn der Ofen (17, 117) noch heiß ist, wobei diese Ofentür (35, 123) Handgriff- oder Greifmittel an ihrem Außenabschnitt aufweist und aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist, so daß der Handgriff mit den Fingern einer Bedienperson umfaßt werden kann, während das Innere der Tür (35, 123) bei oder nahe der Veraschungs temperatur ist, ohne daß sich die Bedienperson ver brennt.

12. Gerät (11, 111) nach Anspruch 1, worin die Wand und die Ofentür (35, 123) des Ofens (17, 117) aus einem offen zelligen keramischen Schaum bestehen, der für Mikro wellenstrahlung transparent ist und eine geringe Wärme leitfähigkeit aufweist, wobei das die Mikrowellen ab sorbierende Material (127) Siliciumcarbid ist, und wobei die Ofentür (35, 134) und Wandöffnung so geformt sind, daß die Tür (35, 123) teilweise geöffnet werden kann, um einen kontrollierten Luftstrom in den Ofen (17, 117) durch den erzielten Durchlaß zu erlauben.

13. Gerät nach Anspruch 10, wobei der Behälter in einem Temperaturbereich von 600° bis 1000°C hitzebeständig ist.

14. Gerät nach Anspruch 10, wobei der Behälter (75, 129) für Mikrowellen durchlässig und porös ist und aus Quarz mikrofasern besteht, die in einer Behälterform mit Wand (141) gehalten werden.

15. Gerät nach Anspruch 14, wobei das Konstruktions material des Behälters (75, 129) ein nicht gewobenes dünnes Blatt aus Quarzmikrofasern ist, wobei dieses Blatt hitzebehandelt worden ist zu einer mit einer Wand (141) versehenen Behälterform.

16. Gerät nach Anspruch 15, wobei das Konstruktions material des Behälters (75, 129) eine Dicke im Bereich von 0,2 bis 0,7 mm aufweist, eine Porosität aufweist, daß der Druckabfall über das Material 1 bis 5 mm Queck silber bei 5 cm/sec Anströmgeschwindigkeit von Luft ist, daß es bei hohen Temperaturen bis zu 500°C be ständig ist, daß es mikrongroße Partikel zurückhält und durchlässig für Mikrowellenstrahlung ist und ein Gewicht im Bereich von 50 bis 200 g/m² aufweist.

17. Gerät nach Anspruch 16, wobei der Behälter (75, 129) eine im wesentlichen flache zylindrische Form auf weist mit einem Höhen-/Durchmesser-Verhältnis welches im Bereich von 115 bis 215 liegt und mit einem Behältergewicht, welches im Bereich von 0,2 bis 0,6 g liegt.

18. Verwendung eines Behälters (75, 129) in einem Gerät nach Anspruch 1, wobei der Behälter (75, 129) als Behälter für veraschbares Material (77) ausgebildet ist, welches durch Hitze in einem Veraschungsofen (17, 117) verascht werden soll, wobei der Behälter (75, 129) ge eignet ist, für die Verwendung in einem Veraschungs ofen (17, 117) der von Mikrowellenstrahlung von Mikro wellen absorbierenden Elementen (62, 64, 66, 67, 68, 127) aufgeheizt wird, der hitzebeständig ist, eine Wand (141) aufweist, leichtgewichtig ist, für Mikrowellen durchlässig und porös ist, und der aus Quarzmikro fasern besteht, die in einer Behälterform mit Wand (141) gehalten werden.

19. Verwendung eines Behälters (75, 129) nach Anspruch 18, wobei das Konstruktionsmaterial des Behälters (75, 129) ein nicht gewobenes dünnes Blatt aus Quarzmikrofasern ist, wobei dieses Blatt hitzebehandelt worden ist zu einer mit einer Wand (141) versehenen Behälterform.

20. Verwendung eines Behälters (75, 129) nach Anspruch 19, wobei das Konstruktionsmaterial des Behälters (75, 129) eine Dicke im Bereich von 0,2 bis 0,7 mm aufweist, eine Porosität aufweist, daß der Druckabfall über das Material 1 bis 5 mm Quecksilber bei 5 cm/sec Anströmge schwindigkeit von Luft ist, daß es bei hohen Tempera turen bis zu 500°C beständig ist, daß es mikrongroße Partikel zurückhält und durchlässig für Mikrowellen strahlung ist und ein Gewicht im Bereich von 50 bis 200 g/m² aufweist.

21. Verwendung eines Behälters (75, 129) nach Anspruch 20, wobei der Behälter (75, 129) eine im wesentlichen flache zylindrische Form aufweist mit einem Höhen-/Durch messer-Verhältnis, welches im Bereich von 115 bis 215 liegt und mit einem Behältergewicht, welches im Be reich von 0,2 bis 0,6 g liegt.

22. Verwendung eines Behälters (75, 129) für veraschbares Material, welches durch Hitze in einem Veraschungsofen (17, 117) verascht werden soll, in einem Gerät nach An spruch 1, wobei der Behälter (75, 129) hitzebeständig während der Veraschungstätigkeiten ist, in denen er auf Temperaturen bis zu 500°C aufgeheizt wird, leicht gewichtig ist, porös ist und einteilig Boden- und Seiten wandabschnitte einschließt, die aus Quarzmikrofasern bestehen, die in Behälterform mit Wand (141) und Boden (139) gehalten werden.

23. Verwendung eines Behälters (75, 129) für veraschbares Material, welches darin verascht werden soll, in einem Gerät nach Anspruch 1, wobei der Behälter (75, 129) hitzebeständig während dieser Veraschungstätigkeiten ist, leichtgewichtig ist, porös ist und einteilige Boden- und Seitenwandabschnitte einschließt, die aus Quarz- oder Borosilikatglasfasern oder aus einer Mischung davon bestehen und die in Behälterform mit Wand (141) und Boden (139) gehalten werden.