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Die
Erfindung betrifft Verfahren zum Messen des Gewichts von Probenmaterialien
vor, während
und nach einer Erwärmung.
Insbesondere ist die Erfindung auf das Verbessern der Genauigkeit
von Gewichtsmessungen durch Einstellen des scheinbaren Gewichts
auf das wahre Gewicht durch das Inbetrachtziehen von systematischen
Gewichtsabweichungen, die durch Luftdichte-Gradienten verursacht wurden, gerichtet.
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Die
Bestimmung des Probenfeststoffanteils oder des Probenfeuchteanteils
ist eine Routinelaboruntersuchung. Viele Agrarprodukte, Lebensmittelprodukte
und hergestellte Produkte (zum Beispiel Textilien, Filme, Beschichtungen,
Papier und Farben) werden basierend auf dem Feststoffanteil oder
dem Feuchtigkeitsgehalt verkauft. Folglich werden Feststoff- und
Feuchtigkeitsanalysen häufig
durchgeführt.
Unglücklicherweise
ist die Überwachung
des Feuchtigkeits- und Feststoffgehalts unter Verwendung von konventionellen
Techniken extrem zeitaufwendig. Beispielsweise benötigt das
Trocknen einer Probe in einem Konvektionsofen, um den Feststoffgehalt
zu erhalten, mehr als vier Stunden und erfordert typischerweise
die Austrocknung der abgetrockneten Probe.
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Es
gibt jedoch analytische Hochgeschwindigkeitsverfahren für das Verdunsten
von Feuchtigkeit oder Lösungsmittel,
um die quantitative Analyse von verschiedenen Substanzen (zum Beispiel
landwirtschaftliche Konsumgüter,
Lebensmittel, Molkereiprodukte, Chemikalien, Papierprodukte und
Tabak) zu erleichtern. Diese Verfahren setzen häufig Mikrowellenenergie ein,
um eine Materialprobe aufzuwärmen,
um verschiedene flüchtige
Anteile zu entfernen. Danach kann die Feuchtigkeit, Feststoffe oder
andere Reststoffe und Verluste bestimmt werden. Um diese Gewichtsmessungen
schnell und genau zu erzielen, wird die Probe nicht von der Waage
entfernt, sondern statt dessen nach jedem aufeinanderfolgenden Schritt
am Ort gewogen. Solch eine Automatisierung reduziert die Möglichkeit
von menschlichen Fehlern.
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Das
Gewicht der Substanz wird oft während
der Mikroaufheizung erfaßt
oder wiederholt gemessen, während
flüchtige
Bestandteile von der erhitzten Probe entfernt werden. Folglich erfordern
solche Verfahren nicht nur empfindliche Analysewaagen, sondern ebenso
die Fähigkeit,
Gewicht zu messen, während
die Probe heiß ist.
Diese Verfahren können
jedoch nicht die Gewichtsmessungen um die Auftriebseffekte korrigieren,
die durch Temperatur- und Druckvarianz innerhalb der Mikrowellenkavität verursacht
werden. Dieses Versagen kann signifikante Fehler in die Bestimmungen
des Feststoff- oder Feuchtigkeitsgehalts einfügen.
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Das
US-Patent Nr. 4,753,889 (im folgenden als das Collins'889 Patent bezeichnet)
ist auf schnelle quantitative Analysen von Materialien mit hohem
Feuchtigkeitsgehalt gerichtet. Das Collins'889 Patent beschreibt die Verdampfung
von Feuchtigkeit, um die Feststoffe und andere Materialien, die
vorhanden sind, ohne Entfernung oder Zerstörung der anderen Materialien
zu bestimmen, wenn die Feuchtigkeit entfernt wird. Insbesondere
wird die schnelle Analyse erleichtert durch Mikrowellenerwärmung, um
die Feuchtigkeit auszutreiben, gefolgt durch Lösungsmittelextraktion und Inhaltsbestimmungen.
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In
gleicher Weise betrifft das US-Patent Nr. 4,291,775 (im folgenden
als Collins'775
Patent bezeichnet) das Problem der disruptiven Konvektionsströme. Genauer
gesagt beschreibt das Collins'775
Patent ein Verfahren und eine Vorrichtung für das Verbessern der Wiegegenauigkeit
von sensitiven automatischen Waagen, wenn erwärmte Substanzen gewogen werden
durch Einbringen eines Luftbarriereschildes, um die Waagenplatte
abzudecken, ohne die automatische Waage zu kontaktieren oder zu
berühren.
Dies neigt dazu, die Konvektionsströme, welche die empfindliche
Waage störren
können
und folglich das Erzielen von genauen Probengewichtsmessungen verhindern,
zu reduzieren. Mit anderen Worten reduziert das Eliminieren von
Konvektionsluftströmen
die Bewegung der Waage und dadurch Fluktuationen in der Messung
des erfaßten
Probengewichts.
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Schließlich verbessert
die US-Patentanmeldung Serien-Nummer 09/397,825 (Microwave Apparatus and
Method for Achieving Accurate Weight Measurements) auch die Lehren
des Collins'775
Patents durch Einschließen
eines Luftschildes, das entfernbar an der Innenseite der Heizkavität gesichert
ist, so daß das
Luftschild eine Analysewaage nicht kontaktiert, wenn das Luftschild
an der Heizkavität
befestigt ist. Durch Sichern des Luftschilds im Inneren der Mikrowellenkavität muß ein Labortechniker
oder ein Instrumentbediener keine bewegbare Barriere manipulieren,
welche auf dem Kavitätsboden
ruhen muß und
derart plaziert sein muß,
daß die
Barriere im wesentlichen sowohl die Analysewaage als auch die aufzuwärmende Probe
umgibt.
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Während diese
Verfahren spezifische Probleme, die mit der Mikrowellenerwärmung und
-trocknung verknüpft
sind, überwinden,
wird von keiner ein Verfahren für
das Korrigieren des scheinbaren Probengewichts, um Auftriebseffekte
zu berücksichtigen,
die durch unterschiedliche Luftdichten, die eine Probe umgeben,
verursacht werden, beschrieben oder gelehrt. Daher besteht eine
Notwendigkeit für
ein Verfahren, bei Gewichtsmessungen die Auftriebseffekte, die durch
Temperatur- und Druckvarianzen innerhalb einer Aufwärmumgebung
verursacht werden, zu korrigieren.
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Es
ist daher ein Ziel dieser Erfindung, ein Verfahren für das Einstellen
des gemessenen, scheinbaren Probengewichts bereitzustellen, um Auftriebseffekte
zu berücksichtigen,
die während
der Mikrowellenaufheizung auftreten, um genauere Probengewichtsmessungen
zu erzielen.
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Es
ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren für das genaue
Bestimmen des Feststoffanteils einer Probe bereitzustellen durch
Korrigieren der Gewichtsmessungen, um Auftriebseffekte, die während des Aufheizens
auftreten, zu berücksichtigen.
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Die
Erfindung erreicht dies durch Bereitstellen eines Verfahrens des
Erzielens eines genauen Gewichts durch Berücksichtigen von Auftriebseffekten
gemäß Anspruch
1.
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Das
vorhergehende, sowie andere Ziele und Vorteile der Erfindung und
die Art und Weise, wie dieselben verwirklicht werden, wird weiter
ausgeführt
innerhalb der folgenden detaillierten Beschreibung und ihrer begleitenden
Zeichnungen.
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In
den Figuren:
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1 stellt
schematisch den Auftriebseffekt in Bezug auf eine Probenplatte,
die auf einem Schaft einer Analysewaage ruht, dar.
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2 stellt
eine Auftriebskorrelation dar, basierend auf dem Unterschied zwischen
der Oberflächentemperatur
einer Probenunterlage und der Umgebungslufttemperatur, die die Probenun terlage
umgibt, wobei die Umgebungsluft bei Raumtemperatur (25°C) und Normaldruck
(1013 Millibar) ist.
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3 stellt
den Auftriebseffekt für
einen standardisierte 98 cm2 Probenunterlage,
basierend auf der Oberflächentemperatur
einer Probenunterlage, die von Umgebungsluft mit entweder 25°C oder 50°C umgeben
ist, dar.
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4 stellt
den Auftriebseffekt für
eine 98 cm2 Standard-Probenunterlage dar,
basierend auf dem Unterschied zwischen der Oberflächentemperatur
einer Probenunterlage und der Umgebungslufttemperatur, die die Probenunterlage
umgibt, wobei die Umgebungslufttemperatur entweder 25°C oder 50°C betragt.
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5 stellt
den Auftriebseffekt für
eine 98 cm2 Standard-Probenunterlage dar,
basierend auf dem Unterschied zwischen der Oberflächentemperatur
einer Probenunterlage und der Umgebungslufttemperatur (25°C), die die
Probenunterlage umgibt, wobei der Umgebungsluftdruck entweder 1013
Millibar oder 950 Millibar ist.
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Die
vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zum Erreichen eines genauen
Probengewichts durch Korrektur der Auftriebseffekte. Diese Auftriebseffekte
werden durch Luftdichtegradienten verursacht, die Differenzluftdrücke erzeugen,
die auf die Probenunterlage wirken.
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In
seinem breitesten Aspekt beinhaltet das Verfahren das Messen eines
scheinbaren Gewichts einer Substanz, typischerweise einer leichtgewichtigen
Probenunterlage, während
gleichzeitig eine Oberflächentemperatur
der Substanz und eine Umgebungslufttemperatur, welche die Substanz
umgibt, gemessen wird, wobei dann die Auftriebskräfte, die
auf die Substanz wirken, basierend auf diesen Temperaturmessungen,
vorhergesagt werden. Danach wird das wahre Gewicht der Substanz
bestimmt durch Korrigieren des scheinbaren Gewichts um die vorhergesagten
Auftriebskräfte,
die auf die Substanz wirken.
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Es
versteht sich für
den Fachmann, daß um
die Vorhersage der Auftriebskräfte,
die auf eine Substanz wirken, zu vervollständigen, der projizierte Oberflächenbereich
der Substanz bekannt sein muß.
So wie hier verwendet, wird der projizierte Oberflächenbereich
festgelegt durch die Projektion der Probe auf eine horizontale Ebene.
Beispielsweise ist der projizierte Oberflächenbereich einer flachen,
horizontalen Oberfläche
einfach der Oberflächenbereich.
Im Gegensatz dazu würde
ein dreidimensionales Objekt, wie zum Beispiel eine Kugel, einen
zweidimensionalen projizierten Oberflächenbereich, wie zum Beispiel
einen Kreis, haben.
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Typischerweise
wird eine leichte Probenunterlage mit einer im wesentlichen ebenen
oberen und unteren Oberfläche,
sowie einem errichteten projizierten Oberflächenbereich verwendet, so daß der Oberflächenbereich
der Substanz effektiv konstant ist. In dieser Hinsicht haben sich
Probenunterlagen, die von CEM Corporation, Stallings, North Carolina
erhältlich
sind, als besonders effektiv erwiesen. Die bevorzugten CEM-Probenunterlagen
haben einen Oberflächenbereich
(und einen projizierten Oberflächenbereich)
von 98 cm2 (d.h. 3,8 Zoll × 4,0 Zoll).
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
werden Gewichtsmessungen unter Verwendung einer Analysewaage durchgeführt. In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
wird die Oberflächentemperatur
der Substanz unter Verwendung von Infrarotstrahlung gemessen. Techniken
für das
Ver wenden von Analysewaagen und Infrarotstrahlungsgeräten sind
im Stand der Technik gut bekannt und werden hier nicht weiter erörtert.
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Das
Verfahren wird am besten bevorzugt unter Verwendung einer Mikrowellenvorrichtung
praktiziert. Folglich ist in noch einer anderen Ausführungsform
die Umgebungslufttemperatur, welche die Substanz umgibt, einfach
die Umgebungslufttemperatur innerhalb einer Mikrowellenkavität. Wenn
eine Mikrowellenvorrichtung eingesetzt wird, kann die Mikrowellenkavität einen
heizbaren Kavitätsboden
beinhalten, der derart ausgelegt ist, daß er die Umgebungslufttemperatur
innerhalb der Mikrowellenkavität
steuert (heizbare Kavitätenböden werden
manchmal eingesetzt, um die Kondensation innerhalb der Mikrowellenkavität zu reduzieren).
In dieser Anordnung wird die Umgebungslufttemperatur der Mikrowellenkavität vorzugsweise
basierend auf der gemessenen Temperatur eines heizbaren Mikrowellenkavitätsboden
vorhergesagt.
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Das
vorliegende Verfahren des Korrigierens von Auftriebseffekten wurde
als insbesondere anwendbar erachtet, wenn eine Hochgeschwindigkeitsmikrowellenvorrichtung
verwendet wird, um Probenfeststoffanteil oder Probenfeuchtigkeitsanteile
zu bestimmen. Anders als konventionelle Konvektionsheiztechniken,
die bis zu vier Stunden andauern können, oder sogar anders als
Infrarotheiztechniken, die zwischen 10 und 20 Minuten benötigen, kann
ein gut konstruiertes Mikrowellensystem den Anteil der Feststoffe
einer Probe innerhalb von etwa zwei Minuten bestimmen.
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Wie
die Fachleute verstehen werden, sind Materialien, wie zum Beispiel
landwirtschaftliche Lebensmittel- und Textilprodukte häufig hygroskopisch,
wenn sie erhitzt und getrocknet werden. Wenn folglich solchen getrockneten
Materalien erlaubt wird, Wasser erneut zu absorbieren, bevor ein
Endgewicht gemessen wird, wird die Bestimmung der Feststoffanteile
fehlerhaft sein. Somit müssen
konventionelle Trocknungstechniken nach der Trocknung zunächst eine
heiße
Materialprobe beim Temperaturgleichgewicht in einer feuchtigkeitsfreien
Umgebung bringen. Häufig
erfordert dies, daß die
Materialprobe in einem Exsikkator gekühlt wird. Im Gegensatz dazu
ist das vorliegende Verfahren in der Lage, ein Endprobengewicht
unmittelbar nach Beendigung der Trocknung zu erhalten. Es besteht
daher nicht die Notwendigkeit eines zeitaufwendigen Exsikkationsschrittes.
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In
einem breiten Aspekt erfordert das Verfahren zur genauen Bestimmung
des Feststoffanteils einer Materialprobe unter Verwendung einer
Mikrowellenvorrichtung es, daß ein
wahres Gewicht einer Materialprobe bestimmt wird durch Korrigieren
eines gemessenen Gewichts der Materialprobe vor der Trocknung, um
Auftriebseffekte zu berücksichtigen.
In solchen Ausführungsformen
trocknet die Mikrowellenenergie, die in die Mikrowellenkavität eingefügt wird,
die Materialprobe innerhalb weniger Minuten. Danach kann das wahre
Gewicht der Materalprobe nach der Trocknung bestimmt werden, um
Auftriebseffekte zu berücksichtigen.
Der Fachmann wird verstehen, daß der
Anteil an Feststoffen in der Materialprobe berechnet wird durch
Dividieren des wahren Gewichts der Materialprobe nach der Trocknung
durch das wahre Gewicht der Materialprobe vor der Trocknung.
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Folglich
beinhaltet das Verfahren in diesem Aspekt der Erfindung die Verwendung
einer Analysewaage, um ein scheinbares Gewicht einer Probenunterlage
zu messen, die innerhalb der Mikrowellenkavität positioniert ist, während zur
gleichen Zeit eine ursprüngliche
Oberflächentemperatur
einer Probenunterlage und eine ursprüngliche Umgebungslufttemperatur
der Mikrowellenkavi tät
gemessen wird. Wie vorher erörtert
wurde, können
Auftriebskräfte,
die auf die Probenunterlage wirken, aus der ursprünglichen
Oberflächentemperatur der
Probenunterlage und der ursprünglichen
Umgebungslufttemperatur der Mikrowellenkavität abgeleitet werden. Ein wahres
Gewicht der Probenunterlage kann dann bestimmt werden durch Korrigieren
des ursprünglichen
scheinbaren Gewichts der Probenunterlage durch die vorhergesagten
Auftriebskräfte,
die auf die Probenunterlage wirken.
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Sobald
das wahre Gewicht der Probenunterlage festgestellt wurde, wird eine
Materialprobe, für
die der Anteil an Feststoffen gewünscht wird, auf der Probenunterlage
plaziert. Dann wird das scheinbare kombinierte Gewicht aus sowohl
der Probenunterlage als auch der Materialprobe gemessen, während eine
nachfolgende Oberflächentemperatur
der Probenunterlage und einer nachfolgenden Umgebungslufttemperatur
der Mikrowellenkavität
gleichzeitig gemessen werden. Basierend auf den nachfolgenden Temperaturen
der Probe und Unterlage und der Umgebungslufttemperatur innerhalb
der Mikrowellenkavität,
können
die Auftriebskräfte,
die auf die Probenunterlage und die Materialprobe wirken, vorhergesagt
werden.
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Ein
wahres kombiniertes Gewicht der Probenunterlage und der Materialprobe
kann dann bestimmt werden durch Korrigieren des scheinbaren kombinierten
Gewichts der Probenunterlage und der Materialprobe durch die vorhergesagten
Auftriebskräfte,
die auf die Probenunterlage und die Materialprobe wirken. Schließlich, wie
die Fachleute verstehen werden, wird das wahre Gewicht der Materialprobe
vor dem Trocknen leicht berechnet durch Subtrahieren des wahren
Gewichts der Probenunterlage von dem wahren kombinierten Gewicht
der Probenunterlage und der Materialprobe.
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Als
nächstes
wird Heizenergie, vorzugsweise Mikrowellenstrahlung, an die Materialprobe
angelegt. Dies entfernt Feuchtigkeit aus der Materialprobe. Dann
wird das scheinbare kombinierte Gewicht der Probenunterlage und
der getrockneten Materialprobe mit der Analysewaage gemessen, während gleichzeitig
eine Endoberflächentemperatur
der Probenunterlage und eine Umgebungsluftendtemperatur der Mikrowellenkavität gemessen
werden. Wie vorher beschrieben wurde, werden die Auftriebskräfte, die
auf die Probenunterlage und die getrocknete Materialprobe wirken,
vorhergesagt, basierend auf der Oberflächenendtemperatur der Probenunterlage
und der Luftendtemperatur der Mikrowellenkavität.
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Danach
wird das wahre kombinierte Gewicht der Probenunterlage und der getrockneten
Materialprobe erzielt durch Korrigieren des scheinbaren kombinierten
Gewichts der Probenunterlage und der getrockneten Materialprobe
durch die vorhergesagten Auftriebskräfte, die auf die Probenunterlage
und die getrocknete Materialprobe wirken.
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Weiterhin
wird das wahre Gewicht der getrockneten Materialprobe leicht berechnet
durch Subtrahieren des wahren Gewichts der Probenunterlage von dem
wahren Gewicht der Probenunterlage und der getrockneten Materialprobe.
Wie Fachleute erkennen werden, werden die Anteile der Feststoffe
der Materialprobe weiterhin berechnet durch Teilen des wahren Gewichts
der Materialprobe nach der Trocknung (d.h. der getrockneten Materialprobe)
durch das wahre Gewicht der Materialprobe vor der Trocknung.
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Es
soll betont werden, daß durch
das Einsetzen einer Mikrowellenvorrichtung dieses Verfahren zur
Bestimmung des Anteils an Feststoffen einer Materialprobe in weniger
als etwa zwei Minuten durchgeführt
werden kann. Da die Materalprobe gewogen wird, bevor sie abkühlt, reabsorbiert
darüber
hinaus die Materialprobe keine Feuchtigkeit, die innerhalb der Mikrowellenkavität kondensieren
kann.
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Ohne
an eine bestimmte Theorie gebunden sein zu wollen, glauben die Erfinder
des vorliegenden Verfahrens, daß Auftriebseffekte
auftreten, wenn Temperaturgradienten in der Nähe der Probenunterlage existieren.
Dies wird natürlich
erwartet aufgrund der Probenheizoperationen, insbesondere wenn eine Hochgeschwindigkeitsmikrowellenvorrichtung
eingesetzt wird. Genauer gesagt, veranlassen die Temperaturgradienten,
daß die
Luftdichte um die Probenunterlage variiert, wobei die Luftdichte
umgekehrt proportional zur Temperatur ist. Folglich kann in dem
Ausmaß,
in dem der Luftdruck unter der Unterlage größer als der Luftdruck oberhalb
der Unterlage ist, die Probenunterlage etwas Auftrieb bekommen.
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Es
versteht sich für
den Fachmann in Fluid-Mechanik und Wärmeübertragung, daß diese
Art von Luftdruckdifferenz einen nach oben gerichteten Auftrieb
auf die Probenunterlage erzeugt, wodurch bewirkt wird, daß die Analysewaage
eine niedrige Gewichtsmessung für
die Probenunterlage aufzeichnet. Dieses Auftriebskonzept ist weiter
beschrieben von Incropera und Dewitt in Fundamentals of Heat Transfer
(John Wiley & Sons 1981).
Es sollte weiterhin verstanden werden, daß obgleich eine bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung eine Mikrowellenkavität einsetzt, die Erfindung nicht
derart beschränkt
ist.
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Dieses
Auftriebsphänomen
kann besser verstanden werden in dem Kontext der Probenerwärmung durch
Bezugnahme auf 1, die graphisch den Effekt
von Temperaturgradienten über
der Probenunterlage darstellt. Kurz gesagt, stützt der Analysewaagenschaft 2,
der mit einer Analysenwaage (nicht gezeigt) verbunden ist, die Probenunterlage 4,
die weiterhin die aufgeheizte Materialprobe 6 trägt. Die
Temperatur TS an der Oberfläche der
Probenunterlage 4 ist größer als die Temperatur T∞,
die Umgebungstemperatur, die die Probenunterlage umgibt. Die Oberfläche der
Probenunterlage 4 erzeugt eine Konvektionsfahne 8,
die sich von der Oberfläche
der Probeunterlage zu einer Filmschicht 10 erstreckt. Innerhalb
der Konvektionsfahne 8 gibt es einen abnehmenden Temperaturgradienten
von der Probenunterlagenfläche 4 zu
der Filmschichtgrenze 10. Die Umgebungslufttemperatur T∞ außerhalb
der Konvektionsfahne ist typischerweise kälter als die Temperatur Tf an der Filmschicht 10. Es ist
erwähnenswert,
daß falls
die Umgebungsluft wärmer
als die Probenunterlage ist, die Probenunterlage effektiv sinken
wird.
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Die
Temperatur Tf an der Filmschicht 10 wird
empirisch bestimmt durch Mitteln der Oberflächentemperatur der Probenunterlage 4 und
der Umgebungslufttemperatur T∞, die andernfalls die
Probenunterlage 4 umgibt (d.h. (TS +
T∞) ÷ 2). Es
ist die Dichte der Luft an der Filmschicht 10, die mit
der Dichte der Umgebungsluft, die ansonsten die Probenunterlage
umgibt, verglichen wird, um die Nettokraft auf die Probenunterlage
zu bestimmen. In den Beispielen, die folgen, bezieht sich die Dichte
auf die Luftdichte an der Filmschicht.
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Insbesondere
wird die Dichte der Filmschichtluft (ρf) und
die Dichte der Umgebungsluft (ρ∞)
berechnet gemäß der folgenden
Formel: ρ =
P ÷ (R · T), wobeiρ = Luftdichte
(mg/cm3),
P = Luftdruck (N/m2),
R = Gaskonstante für Luft (287,1
J/kg K) und
T = Temperatur (K).
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Danach
können
die entsprechenden Kräfte,
die auf die Oberseite der Unterlagen (Ff) und die Unterseite der
Unterlagen (F∞)
ausgeübt
werden, berechnet werden gemäß der folgenden
Formel F = ρ · g · h · A, wobeiF
= Kraft, die auf eine Seite der Probenunterlage ausgeübt wird,
ρ = Dichte
(mg/cm3),
g = Gravitationsbeschleunigung,
h
= Höhe
der Fluidsäule über der
Probenunterlage,
A = projizierter Oberflächenbereich der Unterlage (cm2).
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Es
sollte erwähnt
werden, daß in
der Praxis der Unterschied in der Höhe der Fluidsäule oben
und unten einer dünnen
Unterlagen vernachlässigt
werden kann. In gleicher Weise kann aus Gründen der Bequemlichkeit die
Gravitationsbeschleunigung weggelassen werden, um die Auftriebskraft
in Masseneinheiten zu erhalten. Es sollte verstanden werden, daß der Unterschied
zwischen Masse und Gewicht den Erfindern bewußt ist. Die austauschbare Verwendung
von Masse und Gewicht ist lediglich bequem, wenn mit Laborwaagen,
die in einem gleichförmigen
Gravitationsfeld kalibriert sind, umgegangen wird.
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Folglich
erleichtert in einem Aspekt die Erfindung die Berechnung von Auftriebskräften als
eine Funktion des Oberflächenbereichs
der Substanz, der Oberflächentemperatur
der Substanz und der Umgebungslufttemperatur, der die Substanz umgibt,
unter Verwendung der folgenden Proportionalitätsgleichung: Auftriebskraft ∝ [(P · A) ÷ R] · [(1 ÷ T∞) – (T∞ +
TS )], wobeiP = barometrischer Druck
(N/m2),
A = projizierter Oberflächenbereich
der Substand (cm2),
R = Gaskonstante
für Luft
(287,1 J/(kg K)),
T∞ = absolute Umgebungslufttemperatur
(K) und
Ts = absolute Oberflächentemperatur
(K).
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Wie
vorhererwähnt,
ist die Substanz typischerweise eine leichte Probenunterlage, die
ausgelegt ist, um eine Materialprobe zu tragen.
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Beispiel
1 zeigt berechnete Auftriebsdaten als ein Ergebnis einer Temperaturvarianz
zwischen der oberen Fläche
der 98 cm2 Standard-Probenunterlage (3,85
Zoll × 4,0
Zoll) von CEM Corporation und der Umgebungsluft, die ansonsten die
Probenunterlage umgibt (d.h. F∞ – Ff).
Insbeson dere nimmt Beispiel 1 an, daß die Umgebungsluft eine Temperatur
von 25°C
und einen Druck von 101,325 N/m2 (d.h. 1
Atmosphäre)
hat.
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In
dieser Hinsicht kann eine Funktion, die den Auftrieb, basierend
auf der Temperaturdifferenz zwischen TS,
der Temperatur an der Oberfläche
der Probenunterlage und T∞, Umgebungslufttemperatur,
die ansonsten die Probenunterlage umgibt, korreliert, aufgestellt
werden. Wie vorher beschrieben wurde, wird Tf,
die Temperatur an der Filmschicht, berechnet durch Mitteln von TS und T∞ (TS +
T∞)
+ 2). 2, die die Daten und Beschränkungen von Beispiel 1 reflektiert,
zeigt die Korrelation zwischen dem Auftrieb und der Temperaturdifferenz
(d.h. TS – T∞)
bei einer Temperatur von 25°C
und einem Druck von 1013 Millibar (d.h. 101,325 N/m2 oder 1
Atmosphäre).
Diese Korrelation kann wie folgt ausgedrückt werden: Auftrieb(mg)
= –0,0003(ΔT)2 + 0,1931(ΔT) + 0,0076
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Wie
Beispiel 1 beschreibt Beispiel 2 die berechneten Auftriebsdaten
als ein Ergebnis einer Temperaturvarianz zwischen der oberen Fläche der
98 cm2 Standard-Probenunterlage von CEM
Corporation (3,85 Zoll × 4,0
Zoll) und der Umgebungsluft, die anderenfalls die Probenunterlage
umgibt (d.h. F∞ – Ff).
Beispiel 2 untersucht jedoch den Auftriebe bei einer Umgebungslufttemperaturuon
50°C und
einem Druck von 1013 Millibar (d.h. 1 Atmosphäre).
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Wie
Fachleute verstehen werden, reduziert eine wärmere Umgebungslufttemperatur
den Auftrieb der Probenunterlage. Dies ist nicht nur im Absoluten
zutreffend, wie es in 3 dargestellt ist, sondern ebenso
in einem relativen Sinn, wie es in 4 dargestellt
ist. Sowohl die 3 als auch 4 zeigen die Daten,
die in den Beispielen 1 und 2 dargestellt sind.
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Schließlich beschreibt
Beispiel 3 ebenso berechnete Auftriebe als ein Ergebnis der Temperaturvarianz zwischen
der oberen Fläche
der 98 cm2 Standard-Probenunterlage (3,85
Zoll × 4,0
Zoll) von CEM Corporation und der Umgebungsluft, die ansonsten die
Probenunterlage umgibt (d.h. F∞ – Ff).
Tabelle 3 untersucht jedoch Druckeffekte, wenn die Umgebungsluft
bei 25°C
gehalten wird, der Luftdruck jedoch von einem Standarddruck (1013
Millibar) auf einen leicht reduzierten Druck von (960 Millibar)
variiert wird.
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In
dieser Hinsicht zeigt 5 den relativen Effekt des Umgebungsluftdrucks
auf den Auftrieb als eine Funktion der Temperaturdifferenz (d.h.
TS – T∞)
durch graphische Darstellung der Daten von Beispiel 3. Es versteht
sich für
den Fachmann, daß unter
der Annahme einer konstanten Temperaturdifferenz ein niedrigerer Umgebungsluftdruck
den berechneten Auftrieb verglichen mit einem höheren Umgebungsluftdruck reduzieren wird.
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Die
Ziele, die hier beschrieben wurden, werden weiter verbessert durch
Aufnehmen der Elemente, die in den ebenfalls anhängigen und gemeinsam übertragenen
Anmeldungen Serien-Nummer
09/398,129 (Microwave Volatiles Analyzer with High Efficiency Cavity)
und Serien-Nummer 09/397,825 (Microwave Apparatus and Method for
Achieving Accurate Weight Measurements) beschrieben sind.
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In
den Figuren und der Beschreibung wurden typische Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben. Spezifische Begriffe wurden nur in einer
generischen und beschreibenden Art und Weise und nicht für die Zwecke
der Beschränkung
verwendet. Der Schutzbereich der Erfindung wird in den folgenden
Ansprüchen
ausgeführt.
