Электронный модуль детонатора с замедлением для неэлектрических систем инициирования

Полезная модель относится к высокоточным системам взрывания, а именно, к детонаторам на основе ударно-волновой трубки с реализацией точной временной задержки, применяемых в неэлектрических системах инициирования, и может быть использовано в детонаторах при осуществлении взрывных работ в добывающей промышленности, в военном деле, по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций, также может использоваться в детонаторах фейерверочной пиротехники, применяемой при проведении массовых зрелищных мероприятий.
Известен капсюль-детонатор с электронной задержкой (патент РФ №2349867 С2, опубликовано 20.03.2012), содержащий электронный модуль, который по существу представляет собой аналог электронного модуля детонатора с замедлением для неэлектрических систем инициирования.
Электронный модуль, выполненный с возможностью подключения для программирования времени задержки к двухпроводной линии зарядки-управления, содержит микропроцессор, накопительный конденсатор и ключ подрыва. С линией зарядки-управления соединен узел зарядки накопительного конденсатора, выполненный на стабилитроне, диоде и защитном высоковольтном конденсаторе. К накопительному конденсатору подключен понижающий стабилизатор, выход которого подключен к выводу питания микропроцессора. Также к накопительному конденсатору подключена цепочка из последовательно соединенных устройства взрывания и ключа подрыва, вход управления которого подключен к первому сигнальному выводу микропроцессора. Кроме того, к накопительному конденсатору подключена цепочка последовательно соединенных зарядного резистора, измерительного ключа и измерительного конденсатора. Общая точка соединения измерительного ключа и измерительного конденсатора подсоединена ко второму сигнальному выводу микропроцессора. Управляющий вход измерительного ключа соединен с цепью питания микропроцессора. Двунаправленный согласователь уровней соединен одним входом-выходом с третьим сигнальным выводом микропроцессора, другим входом-выходом - через защитный конденсатор с линией зарядки-управления. Электронный модуль снабжен сенсором, вырабатывающим электрический сигнал, с возможностью включения и подачи питания в отношении электронного узла задержки, в котором в стационарных условиях запрограммированы задержки срабатывания. Сенсор выполнен с возможностью вырабатывания электрического сигнала при воздействии светового импульса, или импульса давления, или температуры.
Программирование электронного узла на определенное время задержки по линии зарядки-управления производится в стационарных условиях при его изготовлении, после чего он отключается от линии. При работе он включается сенсором.
Рассмотренный аналог не решает технической проблемы создания недорогого электронного модуля детонатора с замедлением для неэлектрических систем инициирования, отвечающего требованиям обеспечения высокой надежности, увеличения диапазона задаваемой временной задержки срабатывания детонатора.
К недостаткам относится возможность достижения небольшой энергии, запасаемой накопительным конденсатором, что приводит к нестабильности срабатывания детонатора при заданном времени задержки.
Сенсор, вырабатывающий электрический сигнал для включения и подачи питания в отношении электронного узла задержки, физически не может обеспечивать достаточное количество энергии.
Электронный модуль запускается в действие и осуществляет зарядку накопительного конденсатора при передаче к сенсору соответствующего сигнала от ударно-волновой трубки (УВТ). При этом на сенсор оказывается воздействие, в результате которого сенсор при запуске электронного модуля в работу выполняет выработку требуемого электрического сигнала. Осуществление указанного порядка запуска в работу электронного модуля возможно от так называемого узла инициирования на основе УВТ, с реализацией последней двух функций - передачи сигнала и передачи воздействия, то есть, энергии, которая преобразуется посредством сенсора в электрическую энергию. Относительно энергии, передаваемой сенсору от УВТ, заметим, что для нее характерен большой разброс. Так, в частности разброс может быть следствием неоднородности засыпки УВТ продуктом горения по ее длине, вплоть до присутствия участков трубки с нулевым содержанием продукта горения. Если такой участок располагается непосредственно перед сенсором, то воздействие на сенсор, в результате которого вырабатывается электрический сигнал, может быть недостаточным для обеспечения требуемой энергии на накопительном конденсаторе и повлечет сбой в работе электронного модуля.
Использование УВТ в качестве элемента, который задействован в процессе выработки и передачи воздействия на сенсор, приводит к разбросу в напряжении на накопительном конденсаторе. При небольшом напряжении оно может оказаться недостаточным для срабатывания воспламенителя (инициирующего устройства) по истечении времени задержки.
Известен детонатор с электронным замедлением для ударно-волновой трубки (патент РФ №2497797 С2, опубликовано 10.11.2013), который содержит электронный модуль, представляющий собой электронный модуль детонатора с замедлением для неэлектрических систем инициирования. В модуле выполнены электромагнитный генератор, схема временной задержки и запуска узла зарядового инициирования, с которой электрически связан электромагнитный генератор. Указанный электронный модуль является ближайшим из выявленных аналогов.
Электромагнитный генератор выполнен с возможностью преобразования энергии продуктов взрывного разложения в электрическую энергию в составе каркаса из диэлектрического материала, постоянного магнита цилиндрической формы с осевой намагниченностью, индуктивных катушек, магнитопроводов, ограничительных элементов, фланца и чехла, выполненных из электротехнической стали, снабжен выводами для электрического соединения со схемой временной задержки и запуска узла зарядового инициирования.
Каркас из диэлектрического материала выполнен трубчатым с полостью, с единственным отверстием в полость на одном конце, со стороны которого соединен встык с фланцем. При этом во фланце выполнено сквозное отверстие соосно отверстию и цилиндрической полости трубчатого каркаса. На каркасе установлены кольцеобразные ограничительные элементы с возможностью примыкания одного из них к фланцу, а второго с расположением на конце трубчатого каркаса без отверстия. Индуктивные катушки кольцевого (круглого) типа в четном количестве и магнитопроводы кольцеообразного типа установлены на трубчатом каркасе с возможностью расположения каждой катушки между магнитопроводами, при этом крайние магнитопроводы, между которыми расположены катушки, установлены с возможностью примыкания к ограничительным элементам. Катушки намотаны в разные стороны с выполнением условия совпадения оси катушек и каркаса и соединены последовательно, при этом каждая первая катушка намотана в одну сторону, а каждая вторая катушка намотана в противоположную сторону. В полости трубчатого каркаса установлен магнит с возможностью фиксации его к фланцу с перекрыванием отверстия во фланце и с возможностью совершения движения в полости каркаса при передаче через отверстие во фланце энергии продуктов взрывного разложения, обуславливающей расфиксацию и совершение движения. Исходное крайнее положение магнита - положение с примыканием к фланцу, к которому примыкает также один из ограничительных элементов, второе крайнее положение - в области конца трубчатого каркаса без отверстия, на котором установлен второй ограничительный элемент. Магнит, каждая из катушек, каждый из ограничительных элементов в направлении, совпадающем с осью трубчатого каркаса, выполнены одним и тем же размером. Чехол реализован цилиндрической формой, в полости чехла расположены каркас, магнит, индуктивные катушки, ограничительные элементы, магнитопроводы, с одного конца, в торцевой стенке чехла, выполнены для подсоединения катушек выводы, а с другого конца чехол встык соединен с фланцем. При этом сборка из индуктивных катушек, ограничительных элементов, магнитопроводов на каркасе расположена в полости чехла с примыканием к его торцевой стенке и плотно охвачена с эффектом фиксации боковой поверхностью цилиндрического чехла.
В схеме временной задержки и запуска узла зарядового инициирования (см. Фиг. 1) выполнен диодный мост VD1-VD2, «боевой» конденсатор в составе последовательно соединенных накопительных конденсаторов С1 и С3, из которых последний предназначен для обеспечения питания схемы, микроконтроллер D1, стабилизатор напряжения D2, ключ VT1. Диодный мост VD1-VD2, обеспечивающий выпрямление напряжения с катушек, двумя своими выводами электрически связан с выводами электромагнитного генератора, к которым подсоединены последовательно соединенные между собой индуктивные катушки. Относительно второй пары выводов диодного моста, на которых напряжение после выпрямления, - один вывод диодного моста соединен с одной обкладкой конденсатора С3, которая закорочена на землю, а второй вывод диодного моста соединен с одной обкладкой конденсатора С1. Указанные конденсаторы С1 и С3 вторыми своими обкладками соединены друг с другом, образуя делитель напряжения. Другой обкладкой конденсатор С3 соединен с входом стабилизатора напряжения D2, который для подачи стабилизированного напряжения в качестве питания соединен с сигнальным выводом 1 микроконтроллера D1. Ключ VT1, предназначенный для коммутации нагрузки - узла зарядового инициирования, выполнен в виде транзистора с затвором, соединенным с сигнальным выводом 5 микроконтроллера D2, стоком, закороченным на землю, а истоком, соединенным с клеммой, являющейся одной из клемм для подсоединения узла зарядового инициирования. С другой клеммой для подсоединения узла зарядового инициирования своей обкладкой, с которой связан второй вывод диодного моста, подающий напряжение после выпрямления, соединен конденсатор С1.
Ближайший аналог не решает технической проблемы создания недорогого электронного модуля детонатора с замедлением для неэлектрических систем инициирования, отвечающего требованиям обеспечения высокой надежности, увеличения диапазона задаваемой временной задержки срабатывания детонатора по причине имеющихся недостатков электронного модуля.
К недостаткам относится небольшая энергия, запасаемая «боевым» конденсатором, конденсатором питания модуля и обуславливающая небольшое время задержки.
Работа электронного модуля детонатора базируется на использовании энергии, поступающей от ударно-волновой трубки (УВТ). Особенности реализации, связанные с выполнением УВТ двух функций, во-первых, передачи сигнала, во-вторых, передачи энергии, обуславливают большой разброс по энергии, получаемой от УВТ, как от партии к партии изделия, так и по длине УВТ. Разброс по однородности засыпки УВТ продуктом горения составляет до 30%. Случается, попадаются участки трубки с нулевым содержанием продукта горения. Относительно распространения сигнала наличие таких небольших участков некритично. Ударная волна проходит такие участки, но если такой участок располагается перед электромагнитным генератором, то это обуславливает резкое уменьшение силы воздействия на магнит и приводит к сбою в работе электронного модуля.
Таким образом, использование УВТ в качестве элемента, опосредованно участвующего в выработке и передаче воздействия на магнит, приводит к большому разбросу в скорости движения магнита в генераторе и, в конечном счете, в напряжении на конденсаторах - на конденсаторе для обеспечения питания модуля и на «боевом» конденсаторе.
При небольшом напряжении на конденсаторе для обеспечения питания схемы задержки, последняя может не отработать заданное время задержки - питания может не хватить. Небольшое напряжение на «боевом» конденсаторе может оказаться недостаточным для срабатывания узла зарядового инициирования по истечении времени задержки.
Напряжение, вырабатываемое электромагнитным генератором за счет наличия последовательно соединенных индуктивных катушек L1-L4, который их выводами электрически связан со схемой временной задержки и запуска узла зарядового инициирования, подается на конденсатор, реализованный в составе последовательно соединенных конденсаторов С1 и С3 (см. Фиг. 1). Напряжение конденсатора С3 является напряжением питания электронного модуля. Напряжение конденсатора С1 предназначено для реализации запуска узла зарядового инициирования, по истечении времени задержки напряжение поступает через ключ VT1, являющийся элементом для осуществления запуска узла зарядового инициирования. При увеличении времени задержки, соответственно, напряжение на конденсаторе С1 уменьшается, поскольку уменьшается напряжение на конденсаторе С3, обеспечивающем питание модуля. В результате, для детонаторов с различным временем задержки «боевым» конденсатором будет обеспечена подача на узел зарядового инициирования различного напряжения.
В зависимости от времени задержки, напряжение на «боевом» конденсаторе будет разным, и, следовательно, по-разному будет срабатывать узел зарядового инициирования. Узел зарядового инициирования должен надлежащим образом, стабильно, срабатывать в широком диапазоне напряжения на «боевом» конденсаторе. Отсутствие стабильности срабатывания является негативным фактором, препятствующим оптимизации конструкции узла инициирования. Кроме того, негативная сторона проявляется еще в том, что внутреннее сопротивление источника питания в этом случае больше, чем если бы был один конденсатор, то есть, больше напряжение, падающее на конденсаторах С1 и С3.
Разработка предлагаемого электронного модуля детонатора с замедлением для неэлектрических систем инициирования направлена на решение технической проблемы создания недорогого электронного модуля, отвечающего требованиям обеспечения высокой надежности, увеличения диапазона задаваемой временной задержки срабатывания детонатора с замедлением для неэлектрических систем инициирования на за счет достигаемого технического результата.
Техническим результатом является:
-увеличение энергии, запасаемой «боевым» конденсатором, конденсатором, обеспечивающим питание модуля, и обуславливающей достижение большего времени задержки.
Технический результат достигается электронным модулем детонатора с замедлением для неэлектрических систем инициирования, содержащим электромагнитный генератор, электрически связанный со схемой временной задержки и запуска узла зарядового инициирования, при этом указанный генератор выполнен в составе размещенных с фиксацией в чехле из электротехнической стали трубчатого каркаса из диэлектрического материала с единственным отверстием в его полость на конце, индуктивных катушек в четном количестве, установленных на каркасе с разнонаправленной намоткой с совпадением оси катушек и каркаса и соединенных между собой последовательно с намоткой каждой первой катушки в одну сторону, а каждой второй катушки - в противоположную сторону, магнитопроводов между катушками, в полости каркаса с возможностью совершения движения расположен постоянный магнит с осевой намагниченностью, с одного торца к чехлу присоединен фланец из электротехнической стали с отверстием, фланец расположен со стороны отверстия в полость каркаса, выводы катушек выполнены с возможностью зарядки в схеме, расположенной в чехле, «боевого» конденсатора и конденсатора, обеспечивающего питание электронного модуля, последний одной обкладкой закорочен на землю, а второй обкладкой соединен с входом стабилизатора напряжения, выход которого соединен с микроконтроллером, с микроконтроллером соединен ключ, выполненный с возможностью коммутации узла зарядового инициирования, относительно которого «боевой» конденсатор реализован с возможностью разрядки при коммутации, в составе генератора выполнен также магнитопровод в виде чаши, боковой частью которой установлен с фиксацией в отверстии фланца, а дном зафиксирован на магните, с возможностью выхода из отверстия фланца и совершения движения совместно с магнитом при преобразовании энергии продуктов взрывного разложения в электрическую энергию, катушки распределены на две группы, с наличием в каждой группе четного количества катушек, одной обкладкой «боевой» конденсатор связан через выпрямляющий напряжение диод с возможностью зарядки с одним выводом одной группы катушек, вторая его обкладка и второй вывод этой группы катушек закорочены на землю, а конденсатор, обеспечивающий питание электронного модуля, с возможностью зарядки связан обкладкой, соединенной с входом стабилизатора напряжения, через другой выпрямляющий напряжение диод с одним выводом другой группы катушек, второй вывод данной группы катушек закорочен на землю.
В электронном модуле отверстие во фланце выполнено соосно отверстию и полости каркаса, отверстия фланца и каркаса выполнены одним и тем же диаметром, при этом выполненный в виде чаши магнитопровод реализован с боковой частью цилиндрической формы и дном в виде диска, имеющим плоскую форму, цельно соединенным с боковой частью, магнитопровод в виде чаши, боковой частью установленный с фиксацией в отверстии фланца, а дном зафиксированный на магните, с возможностью выхода из отверстия фланца, также боковой частью установлен в отверстии каркаса, причем установка магнитопровода в виде чаши реализована с возможностью сообщения объема его чаши с наружным объемом по отношению к объему полости каркаса.
В электронном модуле трубчатый каркас, на котором установлены индуктивные катушки, выполнен с кольцеобразными щечками из того же диэлектрического материала с образованием единой детали, между щечками расположены катушки, при этом крайние щечки, расположенные на концах каркаса, выполнены сплошными, а щечки, расположенные между ними, снабжены выемками под магнитопроводы, которые расположены между катушками, каждая из выемок сформирована с переменной глубиной, для дна выемки характерно наличие двух плоских участков и участка криволинейной формы, представляющих в поперечном сечении щечки дно выемки с конфигурацией U-образной формы, с криволинейным участком в виде полуокружности с радиусом, равным внешнему радиусу трубчатого каркаса на его участках, на которых установлены катушки, с прямыми параллельными участками, с расположением их на расстоянии, равном внешнему диаметру трубчатого каркаса на его участках, на которых установлены катушки, при этом в каждой первой щечке с выемкой последняя выполнена с одной ориентацией относительно продольной оси каркаса, а в каждой второй щечке с выемкой последняя выполнена с диаметрально противоположной ориентацией относительно продольной оси каркаса, каждый из расположенных между катушками магнитопроводов выполнен геометрической конфигурацией, согласованной с геометрической конфигурацией выемки, а именно, выполнен из листового материала в виде круга, с диаметром, соответствующим диаметру щечек, в котором вырезана часть с характерным U-образным контуром.
В электронном модуле выполненный в виде чаши магнитопровод с возможностью установки его боковой частью в отверстие фланца и с возможностью установки его боковой частью в отверстие каркаса реализован так, что при фиксации дна в форме диска к магниту последний исходно расположен внутри катушки, длина каждой катушки и длина магнита по величине сопоставимы, причем длина магнита больше его диаметра.
В электронном модуле соединенный с микроконтроллером ключ, выполненный с возможностью коммутации узла зарядового инициирования, выполнен в виде транзистора с истоком, используемым для подключения при коммутации узла зарядового инициирования, с затвором, соединенным с микроконтроллером, и стоком, закороченным на землю, при этом между затвором и стоком подключен резистор для предотвращения появления в результате электромагнитных помех потенциала на затворе и несанкционированного открывания ключа.
Сущность технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.
На Фиг. 1 представлена принципиальная схема временной задержки и запуска узла зарядового инициирования, используемая в прототипе, где: LI, L2, L3, L4 - индуктивности катушек, VD1, VD2 - диоды; С1 - «боевой» конденсатор; С3 - конденсатор, обеспечивающий питание электронного модуля; D1 - микроконтроллер; D2 - стабилизатор напряжения; С2 - конденсатор стабилизатора; VD3 - стабилитрон; ZQ1 - кварцевый резонатор; VT1 - ключ; R1 - резистор ключа; R2 - резистор для реализации интерфейса связи с устройством программирования и контроля (конфигурирования); 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 - сигнальные выводы микроконтроллера; XS1, XS2, XS5, XS3 - клеммы для узла зарядового инициирования; XS14, XS15, XS8, XS12 - клеммы для конфигуратора; XS6 - клемма седьмого сигнального вывода микроконтроллера; XS10 - клемма четвертого сигнального вывода микроконтроллера; XS7 - клемма первого сигнального вывода микроконтроллера; XS16, XS17, XS18 - клеммы для индуктивных катушек; ЭМГ - электромагнитный генератор.
На Фиг. 2 представлена принципиальная схема временной задержки и запуска узла зарядового инициирования, используемая в предлагаемом решении, где: LI, L2, L3, L4 - индуктивности катушек, VD1, VD4 - диоды; С1 - «боевой» конденсатор; С3 -конденсатор, обеспечивающий питание электронного модуля; D1 - микроконтроллер; D2 - стабилизатор напряжения; С2 - конденсатор стабилизатора; VD3, VD5 - стабилитроны; ZQ1 - кварцевый резонатор; VT1 - ключ; R1 - резистор ключа; R2 - резистор для реализации интерфейса связи с устройством программирования и контроля (конфигурирования); 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 - сигнальные выводы микроконтроллера; XS1, XS2, XS5, XS3 - клеммы для узла зарядового инициирования; XS14, XS15, XS8, XS12 -клеммы для конфигуратора; XS6 - клемма седьмого сигнального вывода микроконтроллера; XS10 - клемма четвертого сигнального вывода микроконтроллера; XS13 - клемма конденсатора, обеспечивающего питание электронного модуля; ЭМГ - электромагнитный генератор.
На Фиг. 3 представлены - а) фрагмент, демонстрирующий особенности выполнения электромагнитного генератора, б) вид, демонстрирующий выполнение каркаса и магнитопровода с установкой магнитопровода в выемку щечки каркаса, где: 9 - УВТ; 10 - втулка; 11 - фланец; 12 - магнитопровод; 13 - магнит; 14 - магнитопровод; 15 - амортизирующая прокладка; 16 - каркас.
Достижение технического результата в предлагаемом электронном модуле детонатора с замедлением для неэлектрических систем инициирования и, соответственно, решение указанной технической проблемы обеспечивается совокупностью существенных признаков, включающей отличия, следующим образом.
В отличие от ближайшего аналога, в котором в схеме временной задержки и запуска узла зарядового инициирования (см. Фиг. 1), «боевой» конденсатор С1 и конденсатор С3, обеспечивающий питание электронного модуля, соединены последовательно, образуя единый накопительный конденсатор, который заряжается от всех последовательно соединенных индуктивных катушек, например, четырех L1-L4 катушек, электромагнитного генератора, в предлагаемом электронном модуле в схеме временной задержки и запуска узла зарядового инициирования (см. Фиг. 2) в отношении указанных конденсаторов осуществлена развязка. Суть ее - осуществление зарядки конденсаторов индивидуально, раздельно.
Для реализации раздельной зарядки «боевого» конденсатора С1 и конденсатора С3, обеспечивающего питание электронного модуля, индуктивные катушки, установленные на каркасе, соединенные последовательно друг с другом таким образом, что каждая первая катушка намотана в одну сторону, а каждая вторая катушка намотана в противоположную сторону, распределены на две группы. При этом в каждой группе присутствует четное количество индуктивных катушек. Каждая группа катушек обеспечивает зарядку соответствующего ей конденсатора, с которым она электрически связана.
Таким образом, «боевой» конденсатор С1 заряжается от одной группы индуктивных катушек, соединенных последовательно, например, индуктивных катушек L1 и L2, а конденсатор С3, обеспечивающий питание электронного модуля, - от другой группы индуктивных катушек, соединенных последовательно, например, индуктивных катушек L3 и L4 (см. Фиг. 2). При этом для выпрямления напряжения при зарядке вместо диодного моста (см. Фиг. 1) использованы диоды VD1 и VD4 (см. Фиг. 2). Диод VD1 соединен с возможностью выпрямления напряжения с выводом первой индуктивной катушки L1, первой группы катушек, и первой обкладкой «боевого» конденсатора С1. Вторая обкладка «боевого» конденсатора С1 и вывод индуктивной катушки L2, являющейся последней в данной группе катушек, закорочены на землю. Диод VD4 соединен с возможностью выпрямления напряжения с выводом первой индуктивной катушки L3 второй группы катушек, и второй обкладкой конденсатора С3. Первая обкладка конденсатора С3 и вывод индуктивной катушки L4, являющейся последней в данной группе катушек, закорочены на землю. Указанная реализация независимой зарядки конденсаторов С1 и С3 позволяет избежать обстоятельства, согласно которому при увеличении времени задержки напряжение на «боевом» конденсаторе С1 уменьшается, поскольку уменьшается напряжение на конденсаторе С3. Поэтому приведенные изменения в схеме способствуют увеличению запасаемой энергии в конденсаторах и более гибкому распределению энергии, вырабатываемой электромагнитным генератором, между указанными конденсаторами. Напряжение на «боевом» конденсаторе С1 не зависит от установленного времени задержки и, в общем, равно одной и той же величине. Как следствие, реализуется возможность увеличения до максимума временной задержки, а также оптимизации узла зарядового инициирования, и более полное использование энергии.
В целях увеличения энергии, запасаемой «боевым» конденсатором С1, конденсатором С3 питания, обеспечивающий питание электронного модуля, и достижения большего времени задержки, в конструкцию электромагнитного генератора также внесены изменения.
Для увеличения напряжения, вырабатываемого электромагнитным генератором, и, как следствие, увеличения напряжения на конденсаторах, в конструкции генератора использован дополнительный магнитопровод 12 (см. Фиг. 3 а)). Дополнительный магнитопровод 12 использован для расположения бустерного заряда, изготовлен в виде чаши и установлен боковой частью чаши в отверстии фланца 11 с фиксацией, а дном зафиксирован к магниту 13 с возможностью выхода боковой части чаши магнитопровода 12 из отверстия фланца 11 и совершения движения магнитопровода 12 в виде чаши вместе с магнитом 13 при преобразовании энергии продуктов взрывного разложения, происходящего в чаше, в электрическую энергию.
С одной стороны, использование дополнительного магнитопровода 12 в виде чаши для расположения бустерного заряда реализовано с целью устранения негативного фактора, связанного с разбросом навески в УВТ 9 (см. Фиг. 3 а)), характерного для вышеприведенных аналогов. Дополнительный магнитопровод 12 в виде чаши выполняет функцию элемента, опосредованно участвующего в выработке и передаче воздействия на магнит, - функцию, которую в известных детонаторах на основе УВТ, выполняет ударно-волновая трубка. С использованием дополнительного магнитопровода 12 происходит выделение энергии продуктов взрывного разложения. При этом засыпка бустерного заряда в чашу осуществляется с высокой точностью, что обеспечивает намного меньший разброс относительно генерируемого бустерным зарядом усилия и скорости магнита 13.
В этом случае можно использовать УВТ 9 с самой низкой навеской, то есть, самую недорогую. Не нужно стараться использовать УВТ 9 с однородной навеской и специально прилагать усилия, чтобы это контролировать. Функция УВТ заключается в обеспечении сигнала для поджигания бустерного заряда.
С другой стороны, реализация дополнительного магнитопровода 12, согласно которому чаша, на дне которой расположен бустерный заряд, выполнена с возможностью выхода боковой части чаши из отверстия фланца 11, с фиксацией дна чаши к магниту 13, позволяет обеспечить перемещение магнита 13 вместе с бустерным зарядом в процессе его горения, протекающего в чаше. Благодаря реактивной силе горения бустерного заряда, магнит 13 совершает движение по каналу в полости каркаса 16 генератора.
Обстоятельство, согласно которому в течение всего времени сгорания бустерный заряд совершает движение вместе с магнитом 13, позволяет в максимальной степени использовать выделяемую энергию и уменьшить разброс в скорости движения магнита 13 при прохождении его в полости генератора.
Таким образом, достигается большая эффективность в выработке генератором энергии.
Кроме того, реализация перемещения магнита 13 вместе с бустерным зарядом в процессе его горения, протекающего в чаше магнитопровода 12, обеспечивает и другие преимущества.
При использовании для выработки и передачи воздействия на магнит только УВТ, как это осуществляется решением, указанным в качестве ближайшего аналога, действие ударной волны от УВТ кратковременно и эффективно только в самом начале процесса. Поэтому на некотором расстоянии от фланца в движении магнита проявится замедление. Этот факт означает бессмысленность использования большего количества пар (секций) катушек. Реально использовать пару катушек, так как в случае большего числа катушек, напряжение с последующей при прохождении магнита по полости генератора пары катушек начинает уменьшаться, и, как следствие, прекращается процесс нарастания напряжения на конденсаторе. Использование бустерного заряда, изложенным здесь образом, обеспечивает то, что время воздействия на магнит, приводящее к совершению им перемещения, увеличивается. В результате становится реальным достижение эффекта от увеличения количества пар катушек.
Следует также подчеркнуть, что дополнительный магнитопровод 12 в сочетании с магнитопроводами 14, расположенными между катушками, обеспечивает лучшее замыкание поля. Магнитный поток более эффективно воздействует на катушки, поэтому увеличивается напряжение, вырабатываемое генератором и, как следствие, запасаемая энергия в конденсаторах и достигается большее время задержки.
В общем случае выполнения предлагаемый электронный модуль детонатора с замедлением для неэлектрических систем инициирования содержит электромагнитный генератор, электрически связанный со схемой временной задержки и запуска узла зарядового инициирования. Указанный генератор выполнен с возможностью преобразования энергии продуктов взрывного разложения в электрическую энергию.
Электромагнитный генератор (см. Фиг. 3) содержит фланец 11, дополнительный магнитопровод 12, магнит 13, магнитопроводы 14, каркас 16, индуктивные катушки (позиция не показана), чехол (позиция не показана).
Чехол выполнен в форме полого цилиндра из электротехнической стали. В полости чехла размещены с фиксацией трубчатый каркас 16, индуктивные катушки, установленные на каркасе 16, магнитопроводы 14, расположенные между катушками, магнит 13.
Трубчатый каркас 16 выполнен из диэлектрического материала с единственным отверстием в его полость на конце. В полости каркаса 16 расположен постоянный магнит 13 с осевой намагниченностью из неодима железа.
С одного торца к чехлу присоединен фланец 11 из электротехнической стали с отверстием. Фланец 11 расположен со стороны отверстия в полость каркаса 16.
Изготовленный в виде чаши дополнительный магнитопровод 12 из электротехнической стали установлен боковой частью в отверстии фланца 11, а дном зафиксирован к магниту 13. Установка боковой части выполнена с фиксацией, враспор. Дополнительный магнитопровод 12 изготовлен в виде чаши, которая выполнена с возможностью выхода ее боковой части из отверстия фланца 11, с фиксацией ее дна к магниту 13, обеспечивая перемещение магнита 13 в полости трубчатого каркаса 16 вместе с магнитопроводом 12 в виде чаши, с распложенным в ней бустерным зарядом, находящимся в процессе горения при преобразовании энергии продуктов взрывного разложения в электрическую энергию. Таким образом, чашеобразный дополнительный магнитопровод 12, помимо выполнения традиционной функции, предназначен для получения энергии взрывного разложения продуктов горения. Причем дополнительный магнитопровод 12 выполняет функцию передачи воздействия магниту 13, включая весь промежуток времени сгорания бустерного заряда в чаше, в виде которой выполнен магнитопровод 12, при совершении движения магнитом 13. В отношении традиционной функции дополнительный магнитопровод 12 в совокупности с магнитопроводами 14, расположенными между катушками, обеспечивает замыкание поля.
Индуктивные катушки установлены на каркасе 16 в четном количестве. Катушки выполнены разнонаправленной намоткой с совпадением оси катушек и каркаса 16. Катушки распределены на две группы, с наличием в каждой группе четного количества катушек. Катушки в каждой группе соединены между собой последовательно. При этом в группах каждая первая катушка намотана в одну сторону, а каждая вторая катушка - в противоположную сторону. Разнонаправленная намотка каждой пары катушек обеспечивает максимальное уменьшение индуктивности на входе схемы и снижает вероятность наведения ЭДС в индуктивных катушках от внешнего электромагнитного поля, например, при грозах.
На Фиг. 2 показано, что в электромагнитном генераторе (ЭМГ) выполнено четыре катушки - по две катушки в каждой группе. Указанное количество оптимально, «боевой» конденсатор С1 заряжается от одной группы индуктивных катушек - L1 и L2, а конденсатор С3, обеспечивающий питание электронного модуля, - от другой группы индуктивных катушек L3 и L4 (см. Фиг. 2).
Возможно использование другого количества катушек, например, для зарядки «боевого» конденсатора С1 группы из двух индуктивных катушек, а для зарядки конденсатора С3, обеспечивающего питание электронного модуля, группы из четырех индуктивных катушек. Увеличение количества индуктивных катушек положительно в отношении работы схемы. Спроектированный надлежащим образом электромагнитный генератор обеспечит больше вырабатываемой электрической энергии, что приведет к увеличению напряжения на конденсаторах. С другой стороны, увеличение количества катушек означает необходимость увеличения габаритов электронного модуля и, как следствие, детонатора. Увеличение габаритов противоречит существующим стандартам детонаторов, размерам гнезд для их установки.
Выводы катушек одной группы L1 и L2 и второй группы L3 и L4 выполнены с возможностью зарядки в схеме конденсаторов, которая расположена в чехле.
Уточненные варианты реализации электронного модуля, затрагивающие конструкцию электромагнитного генератора, включают следующее.
Дополнительный магнитопровод 12 изготовлен в виде чаши, выполненной с боковой частью цилиндрической формы и дном, которое имеет форму диска, плоскую форму, цельно соединенным с боковой частью. Выполнение дна плоским диском способствует оптимальной фиксации.
Отверстие во фланце 11 выполнено соосно отверстию и полости каркаса 16, причем отверстия фланца 11 и каркаса 16 выполнены одним и тем же диаметром. При этом выполненный в виде чаши дополнительный магнитопровод 12 с возможностью установки его в отверстие фланца 11 боковой частью цилиндрической формы, также выполнен с возможностью установки его боковой частью цилиндрической формы и в отверстие каркаса 16.
Дополнительный магнитопровод 12 в виде чаши установлен с возможностью сообщения объема чаши с наружным объемом по отношению к объему полости каркаса 16 (см. Фиг. 3). Дополнительный магнитопровод 12, установленный боковой частью цилиндрической формы в отверстие фланца 11 и в отверстие каркаса 16, реализован так, что в исходном состоянии, до преобразования энергии продуктов взрывного разложения в электрическую энергию при сгорании бустерного заряда, расположенного в магнитопроводе 12 в виде чаши, при фиксации дна в форме плоского диска к магниту 13 последний расположен внутри катушки (см. Фиг. 3 а)).
Длина каждой катушки и длина магнита 13 по величине сопоставимы. Причем длина магнита 13 больше его диаметра. При длине магнита 13 менее его диаметра существует вероятность его заклинивания в полости трубчатого каркаса 16.
Трубчатый каркас 16, на котором установлены индуктивные катушки, выполнен с кольцеобразными щечками (см. Фиг. 3 б)), которые сформированы из того же диэлектрического материала с образованием единой детали. Между щечками расположены индуктивные катушки. При этом крайние щечки, расположенные на концах каркаса 16, выполнены сплошными, а щечки, расположенные между ними снабжены выемками под магнитопроводы 14, которые расположены между катушками (см. Фиг. 3 а)). Каждая из выемок сформирована с переменной глубиной. Для дна выемки характерно наличие двух плоских участков и участка криволинейной формы, расположенного между ними. Дно выемки в составе указанных участков представляет собой в поперечном сечении щечки дно выемки с конфигурацией U-образной формы. Криволинейный участок изогнут в виде полуокружности с радиусом, равным внешнему радиусу трубчатого каркаса 16 на его участках, на которых установлены катушки. Прямые параллельные участки расположены на расстоянии друг относительно друга, равном внешнему диаметру трубчатого каркаса 16 на его участках, на которых установлены катушки.
В каждой первой щечке с выемкой последняя выполнена с одной ориентацией относительно продольной оси каркаса 16 (см. Фиг. 3 а)). В каждой второй щечке с выемкой последняя выполнена с диаметрально противоположной ориентацией относительно продольной оси каркаса 16.
Каждая щечка с выемкой снабжена пазом, выполненным диаметрально расположенным относительно криволинейного участка выемки, для размещения в нем выводных проводов катушек (см. Фиг. 3 б)).
Каждый из расположенных между катушками магнитопроводов 14 выполнен геометрической конфигурацией, согласованной с геометрической конфигурацией выемки. Магнитопровод 14 выполнен из листового материала в виде круга, с диаметром, соответствующим диаметру щечек, в котором вырезана часть с характерным U-образным контуром. В качестве материала использована электротехническая сталь. Магнитопроводы 14 установлены в выемках с фиксацией и примыкают к чехлу из электротехнической стали (см. Фиг. 3а)).
Между фланцем 11 и каркасом 16 выполнена амортизирующая прокладка 15 кольцевого типа. Амортизирующая прокладка 15 предназначена для снижения воздействия ударной волны от УВТ 9 на схему временной задержки и запуска узла зарядового инициирования.
Схема временной задержки и запуска узла зарядового инициирования, с которой связаны выводы индуктивных катушек электромагнитного генератора (ЭМГ), реализована следующим образом (см. Фиг. 2).
В соответствии с общим случаем реализации электронного модуля в схеме выполнены «боевой» конденсатор С1 и конденсатор С3, обеспечивающий питание электронного модуля, диоды VD1 и VD4, микроконтроллер D1, стабилизатор напряжения D2, ключ VT1 (см. Фиг. 2).
При этом «боевой» конденсатор С1 реализован с возможностью разрядки при коммутации узла зарядового инициирования. Одной обкладкой «боевой» конденсатор С1 связан через выпрямляющий напряжение диод VD1 с возможностью зарядки с одним выводом одной группы индуктивных катушек L1 и L2. Вторая обкладка «боевого» конденсатора С1 и второй вывод этой группы катушек L1 и L2 закорочены на землю. Посредством первой обкладки осуществляется его разрядка при коммутации узла зарядового инициирования.
Конденсатор С3, обеспечивающий питание электронного модуля, одной обкладкой связан через выпрямляющий напряжение диод VD4 с возможностью зарядки с одним выводом второй группы индуктивных катушек L3 и L4. Указанной обкладкой конденсатор С3, обеспечивающий питания электронного модуля, также соединен с входом стабилизатора напряжения D2. Конденсатор С3, обеспечивающий питание электронного модуля, другой обкладкой закорочен на землю. Также закорочен на землю второй вывод данной группы индуктивных катушек L3 и L4.
Стабилизатор напряжения D2 выходом соединен с микроконтроллером D1, с его входным сигнальным выводом 1 для подачи питания, другой его, общий, сигнальный вывод 8 закорочен на землю. С микроконтроллером D1, с его сигнальным выводом 5, соединен ключ VT1, выполненный с возможностью коммутации узла зарядового инициирования.
В частном случае реализации соединенный с микроконтроллером D1 ключ VT1, выполненный с возможностью коммутации узла зарядового инициирования, выполнен в виде транзистора с истоком, используемым для подключения при коммутации узла зарядового инициирования, с затвором, соединенным с микроконтроллером D1, с его сигнальным выводом 5, и стоком, закороченным на землю. При этом между затвором и стоком подключен резистор R1 для предотвращения появления в результате электромагнитных помех потенциала на затворе и несанкционированного открывания ключа.
Конденсатор С2 стабилизатора предназначен предотвращения работы стабилизатора напряжения D2 вне штатного режима. Его функция заключается в гашении высокочастотной составляющей сигнала в схеме стабилизатора напряжения.
Дополнительно в схеме выполнены стабилитроны VD3 и VD5, кварцевый резонатор ZQ1, резистор для реализации интерфейса связи с устройством программирования и контроля (конфигурирования) R2.
Посредством клемм XS1, XS2, XS5, XS3 обеспечивается подсоединение узла зарядового инициирования. Клеммы XS14, XS15, XS8, XS12 предназначены для конфигуратора. Клемма XS13 является клеммой конденсатора С3, обеспечивающего питание электронного модуля.
Конденсатор С3, обеспечивающий питание электронного модуля, обкладкой, соединенной с входом стабилизатора напряжения D2, которой он связан через диод VD4 с возможностью зарядки с выводом группы катушек L3 и L4, соединен указанной обкладкой с катодом стабилитрона VD3. Указанный стабилитрон соединен своим анодом с анодом другого стабилитрона - VD5, который своим катодом соединен с обкладкой «боевого» конденсатора С1, которой последний связан через диод VD1 с возможностью зарядки с выводом группы катушек L1 и L2.
Первый из указанных стабилитронов предназначен для блокировки перетекания заряда между конденсаторами, а второй из указанных стабилитронов предназначен для подачи питания на конденсатор С3, обеспечивающий питание электронного модуля, при проведении контроля и программирования посредством конфигуратора, что позволяет осуществлять схема.
Кварцевый резонатор ZQ1 подключен между сигнальными выводами 2 и 3 микроконтроллера D1 и предназначен для измерения частоты внутреннего низкочастотного генератора микроконтроллера D1.
Резистор для реализации интерфейса связи с устройством программирования и контроля (конфигурирования) R2 соединен с сигнальным выводом 6 микроконтроллера D1. Алгоритм работы при конфигурировании следующий.
После активации устройства программирования и контроля микроконтроллер D1, запускается с тактированием от внутреннего высокочастотного генератора (HFINTOSC). Далее микроконтроллер D1 ожидает запуска кварцевого резонатора ZQ1, при этом время запуска в квантах HFINTOSC запоминается для дальнейшего расчета. После запуска кварцевого резонатора ZQ1 производится калибровка низкочастотного генератора (LFINTOSC) микроконтроллера D1. Затем выполняется вычисление длительности задержки срабатывания в тактах LFINTOSC, которая в дальнейшем отрабатывается в спящем режиме работы микроконтроллера D1 с включенным сторожевым таймером WDT. По окончанию отсчета задержки происходит выработка сигнала управления на затвор транзистора VT1, посредством которого осуществляется подача энергии на узел зарядового инициирования в рабочем режиме электронного модуля. Если же с конфигуратора на сигнальный вывод 6 микроконтроллера D1 поступает сигнал низкого уровня, то транзисторный ключ VT1 остается запертым, а схема временной задержки и запуска узла зарядового инициирования переходит в режим конфигурирования. При этом микроконтроллер переключается на работу от HFINTOSC, а сигнальный вывод 6 микроконтроллера D1 используется как интерфейс связи с устройством программирования и контроля.
Для практической реализации схемы используются коммерчески доступные компоненты. Например, в качестве микроконтроллера D2 использован Microchip PIC16LF15313, ключ VT1 реализован на SI2356DS от Vishay.
Схема покрыта заливочным компаундом, который придает дополнительную жесткость сборке конструкции из схемы и электромагнитного генератора в чехле.
Предлагаемый электронный модуль при его практическом использовании подлежит сборке с другими составными частями детонатора в гильзе (см. Фиг. 3 а), позиция не показана), в частности, соединяется с УВТ 9 посредством втулки 10.
Электронный модуль (Фиг. 2 и 3) функционирует следующим образом.
При инициировании детонатора по УВТ 9 распространяется ударная волна. Магнитопровод 12 в виде чаши, изначально своей боковой частью установленный в отверстие фланца 11 с фиксацией и в отверстие полости каркаса 16, а дном зафиксированный на магните 13, выходит при воздействии ударной волны из указанных отверстий, в чаше, в виде которой выполнен магнитопровод 12, происходит выделение энергии продуктов взрывного разложения. Относительно магнита 13, с которым зафиксировано дно чаши, в виде которой выполнен магнитопровод 12, осуществляется передача воздействия, приводящего к его движению в полости каркаса 16 совместно с магнитопроводом 12 в виде чаши и расположенным в нем находящимся в процессе горения бустерным зарядом. В исходном положении магнит 13 расположен в первой катушке L1. После передачи ему энергии, магнит 13, ускоряясь, совершает движение в полости трубчатого канала 16. При этом сгорание бустерного заряда в чаше, в виде которой выполнен магнитопровод 12, зафиксированный дном на магните 13, в процессе движения магнита 13 обеспечивает реактивную тягу. При выходе магнита 13 из первой катушки L1 магнитный поток, проходящий через нее, уменьшается и возникает ЭДС обратной полярности. Одновременно магнит 13 перемещается ко второй катушке L2, входит в нее. Магнитный поток, проходящий через катушку L2, увеличивается, и возникает ЭДС такого же знака, что и в первой катушке L1. Поскольку катушки L1 и L2 намотаны в разные стороны. Так как катушки L1 и L2 соединены последовательно, напряжение с двух катушек складывается, увеличивая сигнал в два раза. Затем с тем же эффектом магнит 13 проходит через катушки L3 и L4, начиная удаляться от последней. Поскольку трубчатый каркас 16 имеет одно отверстие в его полость, то есть его полость несквозная, воздух на пути движения магнита 13 сжимается, приводя к уменьшению скорости до нуля при достижении им торцевой стенки каркаса 16. В генераторе на выводах первой группы катушек L1 и L2, с которыми связан «боевой» конденсатор С1, возникает ЭДС, достаточная для его зарядки. Посредством выпрямляющего напряжение диода VD1 осуществляется его зарядка от группы индуктивных катушек L1 и L2. На выводах второй группы катушек L3 и L4, с которыми связан конденсатор С3, обеспечивающий питание модуля, возникает ЭДС, достаточная для его зарядки. Посредством выпрямляющего напряжение диода VD4 осуществляется его зарядка от группы индуктивных катушек L3 и L4. С конденсатора СЗ напряжение подается на стабилизатор напряжения D2, а с его выхода стабилизированное напряжение подается на микроконтроллер D1. По истечению времени задержки «боевой» конденсатор С1 разряжается на узле зарядового инициирования. Транзисторный ключ VT1 по сигналу с микроконтроллера D1 открывает затвор транзистора и обеспечивает коммутацию узла зарядового инициирования.