ДЕТОНАТОР С ЭЛЕКТРОННЫМ ЗАМЕДЛЕНИЕМ ДЛЯ УДАРНО-ВОЛНОВОЙ ТРУБКИ (УВТ)
DETONATOR WITH ELECTRONIC DELAY FOR SHOCK-WAVE TUBE (SWT)

Изобретение относится к детонаторам с электронной задержкой и может быть использовано в составе неэлектрических систем взрывания на основе ударно-волновых трубок (УВТ), при инициировании систем взрывания для производства взрывных работ в добывающей промышленности, военном деле, массовой фейерверочной пиротехнике, службе МЧС и т.п.
Примером безопасных систем формирования временных задержек при инициировании служит патент на изобретение US №5,133,257 от 28.07.1992 г., в котором предложена неэлектрическая система инициирования с электронными детонаторами с предустановленным временем задержки, в которой каждый электронный детонатор включает в себя преобразователь неэлектрической энергии от линии связи в электрическую энергию, необходимую для питания схемы временной задержки и инициирования взрывчатого вещества. Предложен вариант реализации патента, в котором система инициирования строится на основе ударно-волновой трубки, а детонатор содержит пьезоэлектрический преобразователь, который генерирует электрический импульс, достаточный для зарядки конденсатора до напряжения необходимого для работы электронной схемы задержки и инициирования взрывчатого вещества. Известны устройства для создания точных интервалов замедления с использованием электродетонаторов с электронным замедлением (патенты US №6,173,651 от 2001, RU №2349867, 2147365, 2211435 и др.) в которых требуемое время замедления программируется перед взрывом, а точность задания временных интервалов ~1 мс, в диапазоне от 0 до 20 с. Также известны устройства по патентам №№ DE 4427296/0 A1 и US 6814005 B1, содержащие в качестве источников питания узла задержки и инициирования гальванические элементы.
Наиболее близким к предлагаемому является детонатор с цифровой задержкой изобретение US №5,173,569 от 22.12.1992 г., где описан электронный детонатор для неэлектрических коммуникационных систем, содержащий цилиндрический проводящий корпус, закрытый на одном конце, а на другом конце присоединенный к ударно-волновой трубке, бустерный заряд, пьезоэлектрический преобразователь, схему временной задержки, боевой конденсатор, воспламенитель. Энергия ударно-волновой трубки инициирует бустерный заряд, который взрываясь воздействует на пьезоэлектрический преобразователь для получения электрической энергии направляемой для питания схемы временной задержки и заряда конденсатора. Схема задержки по истечении времени задержки подает сигнал для инициирования воспламенителя энергией запасенной в конденсаторе. Пьезоэлектрический преобразователь содержит 84 плоских пластины толщиной 20 мкм, расположенных последовательно одноименными полюсами друг к другу с параллельным электрическим подключением. Такая конструкция пьезопреобразователя необходима для получения электрического импульса необходимой мощности и напряжения для обеспечения работы схемы задержки с максимальной задержкой в 10 с и инициирования воспламенителя. Бустерный заряд необходим для усиления сигнала ударно-волновой трубки, возможности использования волновода с низкой скоростью распространения ударной волны, обеспечения стабильного усилия воздействия на пьезоэлектрический преобразователь вне зависимости от разброса параметров трубки. Несмотря на то что с момента публикации примера и данного патента прошло уже девятнадцать лет, неэлектрические системы инициирования с электронными детонаторами с точной временной задержкой так и не выпускаются серийно. Связано это с тем, что детонатор с пьезоэлектрическим преобразователем имеет очень сложную конструкцию и высокую цену. Многослойный пьезоэлектрический генератор тяжело поддается автоматической сборке и имеет очень высокую трудоемкость изготовления. Компоненты пьезоэлектрического генератора, в частности пьезоэлектрические диски, электроды из серебра тоже достаточно дороги. Необходимость добавления в конструкцию бустерного заряда также увеличивает стоимость детонатора и делает его чувствительным к механическим ударам, могущим привести к неконтролируемому срабатыванию бустерного заряда и детонатора.
Целью заявляемого конструкторско-технологического решения является создание недорогого, востребованного, надежного, герметичного, безопасного, оперативно программируемого детонатора цифровой задержки, который задействуется импульсом волновода.
Заявляемое конструкторско-технологическое решение отличается от предыдущих выполнением конструкции детонатора, в котором не используется бустерный заряд и пьезоэлектрический преобразователь, а импульс непосредственно от ударно-волновой трубки преобразуется в электрический ток заряда конденсатора с помощью электромагнитного генератора.
Техническим результатом заявляемого изобретения является создание детонатора с электронной задержкой, содержащего электромагнитный генератор, имеющего низкую стоимость благодаря использованию недорогих комплектующих изделий нехорошо отработанной автоматизированной технологии изготовления индуктивностей. Детонатор безопасен при воздействии ударов и вибрации, так как для получения достаточного для срабатывания детонатора сигнала с генератора необходимо разогнать подвижный элемент генератора до большой скорости, что без инициирования ударно-волновой трубки практически невозможно. Детонатор невосприимчив к электромагнитным помехам, так как содержит проводящий корпус, индуктивность генератора равна нулю благодаря тому, что генератор имеет четное количество катушек, соединенных последовательно и намотанных разнонаправлено.
Технический результат достигается за счет конструктивного выполнения высокоточного детонатора, где электромагнитный генератор, схема временной задержки и воспламенитель изготовлены в виде единого модуля - модуля электронного (МЭЛ). Такая конструкция в виде моноблока очень удобна, так как изготовление электронной части устройства и окончательная сборка, в том числе заполнение взрывчатым веществом должны проводиться на различных специализированных производствах.
Поставленная цель заявляемого изобретения решается за счет того, что высокоточный детонатор с электронной задержкой состоит из гильзы, закрытой с одной стороны, а с другой стороны подсоединяемой к ударно-волновой трубке, схемы временной задержки, конденсатора, воспламенителя и электромагнитного генератора, находящегося между ударно-волновой трубкой и схемой временной задержки.
Устройство изображено на фиг.1, где: 1 - гильза, 2 - вторичное взрывчатое вещество, 3 - чашечка, 4 - первичное взрывчатое вещество, 5 - предохранительная втулка, 6 - воспламенитель с взрывчатым веществом, 7 - схема временной задержки, 8 - электромагнитный генератор, 9 - ударно-волновая трубка, 10 - втулка.
Электромагнитный генератор (8), схема временной задержки с конденсатором (7), воспламенитель (6) выполнены в виде единого модуля МЭЛ, который показан на фиг.2, причем схема временной задержки покрыта заливочным компаундом, который также жестко соединяет между собой электромагнитный генератор, схему временной задержки с конденсатором и воспламенитель, в месте расположения электромагнитного генератора модуль закрыт чехлом из электротехнической стали.
Раскрытие изобретения заключается в том, что электромагнитный генератор (фиг.3) преобразовывает импульс от ударно-волновой трубки (УВТ) (9) в электрический ток, содержит чехол (11) из электротехнической стали, каркас (12) из диэлектрического материала, постоянный магнит (13) цилиндрической формы с осевой намагниченностью и катушки (14), намотанные на каркас так, что оси катушек и каркаса совпадают Для фиксации магнита в начальном положении служит фланец (16) из электротехнической стали. Для подключения генератора к схеме временной задержки служат выводы (15). Каркас имеет внутреннюю полость с диаметром равным или чуть более диаметра магнита. Количество катушек должно быть четным, чтобы индуктивность генератора была близкой к нулю, а детонатор был нечувствительным к внешним электромагнитным помехам. При увеличении длины электромагнитного генератора за счет увеличения количества катушек можно зарядить конденсатор до большего напряжения и, следовательно, запасти на конденсаторе большее количество энергии до того момента, когда скорость магнита проходящего через последнюю катушку не начнет уменьшаться за счет механического и электромагнитного торможения и преодоления давления воздуха. Использованием большего количества магнитов, катушек и колец из электротехнической стали между катушек, которые при движении магнита замыкают магнитопроводы через каждую катушку, можно увеличить КПД генератора и напряжение на конденсаторе.
Существует улучшенная конструкция детонатора, изображенная на фиг.4, в которой: 1 - гильза, 10 - втулка, 17 - МЭЛ, где чехол генератора имеет длину несколько больше длины генератора, а внешний диаметр несколько меньший внутреннего большего диаметра гильзы детонатора, так что генератор упирается на внутренний уступ гильзы своей торцевой частью, что позволяет снизить воздействие ударной волны от волновода на схему временной задержки, включающую в себя много электронных компонентов. В самом генераторе вместо одного используется два либо большее количество магнитов намагниченных соосно, расположенных одноименными полюсами друг к другу и соединенных между собой через прокладку.
Устройство работает следующим образом. При инициировании детонатора ударная волна через отверстие во фланце от ударно-волновой трубки (9) воздействует на подвижный элемент (постоянный магнит) (13) электромагнитного генератора (8), заставляя его перемещаться. Магнит, ускоряясь, движется по каналу каркаса (12). При входе магнита в первую катушку (14) магнитный поток через катушку увеличивается и возникает э.д.с., при удалении магнита от первой катушки магнитный поток, проходящий через нее, уменьшается и возникает э.д.с. обратной полярности. Одновременно магнит приближается ко второй катушке, магнитный поток, проходящий через нее, увеличивается, и возникает э.д.с. такого же знака, что и в первой катушке, так как катушки намотаны в разные стороны. Благодаря тому что катушки соединены последовательно, напряжение с двух катушек складывается и сигнал увеличивается примерно в два раза. Далее, пройдя вторую катушку, магнит начинает удаляться от нее, и в катушке возникает э.д.с. противоположной полярности. Благодаря тому, что полость внутри каркаса несквозная, воздух на пути движения магнита сжимается, приводя к уменьшению скорости магнита до нуля при достижении им внутренней поверхности полости. Благодаря этому уменьшается влияние ударной волны от торможения магнита на детонатор и, в частности, на электронную схему задержки (7). На фиг.5 представлена диаграмма напряжения на выходе генератора. На фиг.6 представлена кривая напряжения на конденсаторе. При увеличении количества катушек растет количество полупериодов напряжения на выводах генератора. В генераторе создается э.д.с., достаточная для зарядки конденсатора и работы схемы временной задержки, которая показана на фиг.7. При помощи диодного моста VD1-VD4 происходит выпрямление напряжения с электромагнитного генератора электрической энергии. Энергия запасется на конденсаторах C1 и C2. Конденсаторы C1 и C2 также образуют делитель напряжения, с нижнего плеча которого напряжение подается на стабилизатор D1. Стабилизированное напряжение используется для питания микроконтроллера D2. Внешний генератор G1 является источником опорной частоты и используется для калибровки внутреннего низкочастотного генератора микроконтроллера. Датчик температуры ВК1 служит для измерения температуры модуля. Показание датчика ВК1 используется для калибровки по температуре частоты генератора G1. Электронный ключ VT2 служит для коммутации воспламенителя RH. По истечении времени задержки конденсатор, состоящий из пары конденсаторов С1 и С2, разряжается на воспламенителе, который приводит в действие взрывчатое вещество, чем и завершается работа устройства.
Промышленное применение заключается в создании надежного высокоточного детонатора в широко применяемой системе неэлектрического инициирования с заданной временной цифровой задержкой действия устройства. Применение готового устройства возможно в горнодобывающих отраслях, где уже давно используется ударно-волновая трубка.