КАПСЮЛЬ-ДЕТОНАТОР

Предлагаемая полезная модель относится к средствам, предназначенным для проведения взрывных работ. Полезная модель относится к классу детонаторов с высокой точностью электронной задержки, в которых электропитание для электронного узла обеспечивает электромеханический преобразователь энергии. Детонаторы этого класса используются в неэлектрических системах взрывания на основе ударно-волновых трубок (УВТ) для производства взрывных работ в горной промышленности.
Известен капсюль-детонатор (Патент РФ №2349867 «КАПСЮЛЬ-ДЕТОНАТОР С ЭЛЕКТРОННОЙ ЗАДЕРЖКОЙ»), содержащий корпус, в котором размещены воспламенитель, электронный узел задержки взрывания, первичное и вторичное взрывчатые вещества, узел инициирования и сенсор, размещенные перед электронным узлом задержки, причем сенсор выполнен с возможностью преобразования импульса от источника инициирования и передачи его электронному узлу задержки, который запрограммирован на определенное время задержки, у которого сенсор выполнен с возможностью включения электронного узла задержки в виде фотодатчика или термодатчика. Время задержки у этого капсюля устанавливается при его изготовлении.
Основным недостатком этого капсюля - детонатора является то, что он работоспособен только при использовании гальванических источников питания. Названные гальванические источники питания имеют ограниченный температурный диапазон работы и короткий срок хранения, а капсюль -детонатор с постоянно активным источником питания опасен при транспортировке и ведении подготовительных работ.
Кроме того, известен капсюль-детонатор, (патент РФ №2497797 «ДЕТОНАТОР С ЭЛЕКТРОННЫМ ЗАМЕДЛЕНИЕМ ДЛЯ УДАРНО-ВОЛНОВОЙ ТРУБКИ (УВТ)»), содержащий электромеханический преобразователь энергии, работающий от газового выхлопа УВТ и электронный узел, обеспечивающий задержку. Катушка электромеханического преобразователя секционирована. Секции включены встречным образом. По замыслу авторов патента такое включение минимизирует индуктивность катушки, что благоприятным образом сказывается на полноту зарядки накопительного конденсатора. Электронном узел капсюля-детонатора содержит: выпрямитель, накопительные конденсаторы, линейный регулятор, процессор, накальный мостик с пиросотавом, силовой ключ для воспламенения пиросостава, генератор для отсчета задержки и температурный сенсор для коррекции температурного ухода генератора.
Однако, устройство имеет существенные недостатки. Использование в электромеханическом преобразователе в качестве рабочего тела выхлопа УВТ не обеспечивает стабильности выходного напряжения преобразователя. По причине технологического разброса энергия выхлопа УВТ может изменяться в пределах ±50%. Это, в свою очередь, может приводить как к недостатку напряжения на питающем конденсаторе, так и к перенапряжению. Нестабильность напряжения одна из причин отказа детонаторов. Использование RC-генератора в качестве времязадающего не позволяет отработать задержку с точностью лучше ±0,1%. Это обусловлено фазовыми фликкер-шумами, присущими RC-генераторам. Кроме того, температурная компенсация ухода частоты предполагает индивидуальную калибровку каждого изделия, что весьма затратно в технологическом плане.
Также известен капсюль-детонатор, являющийся прототипом предлагаемого устройства (PCT/RU 2015/000266, WO/2016/171581 «BLASTING САР»). В прототипе электромеханический преобразователь представляет собой пластиковую катушку с медной обмоткой и с соосным каналом внутри катушки. Канал служит для пролета магнитного якоря. Внутри канала расположен магнитный якорь, который в исходном состоянии удерживается ферромагнитной шайбой, закрепленной с торца катушки. Противоположный торец катушки глухой и служит для удержания якоря после его пролета через катушку. Непосредственно к глухому торцу катушки примыкает электронный узел задержки с воспламенителем. Выводы медной обмотки присоединены к электронному узлу. В единое целое электромеханическая и электронная части объединены с помощью специальной пластиковой обечайки. Собранное устройство размещается в гильзу капсюля-детонатора, в котором находится первичное и вторичное ВВ. Со стороны дульца гильзы вставляется УВТ с уплотняющей пробкой. УВТ с уплотняющей пробкой закрепляется обжимкой. Электронный узел прототипа имеет особенности: синусоидальный RC-генератор (для отсчета задержки) и высокочастотный, высокоточный кварцевый генератор.
Кварцевый генератор служит для калибровки RC-генератора в начале отсчета задержки.
Однако, прототип имеет ряд недостатков. Использование энергии выхлопа УВТ для разгона якоря не обеспечивает стабильность на выходе электромеханического преобразователя. Использование RC-генератора для отсчета задержки не позволяет достичь точности, лучшей, чем ±0,1%, даже после тщательной калибровки. Кроме того, пластиковая обечайка, используемая в прототипе, не обеспечивает необходимой жесткости всей конструкции и слабо защищает от динамического удара при выхлопе УВТ.
Задачей (техническим результатом) предлагаемой полезной модели является создание капсюль-детонатора с стабильной энергетикой электромеханического генератора напряжения, независящей от технологических разбросов УВТ, а также с повышенной точностью задержки до ±0,01%, кроме того предлагаемый капсюль-детонатор обладает повышенной механической жесткостью всей конструкции.
Поставленная задача достигается тем, что в известном капсюль-детонаторе, включающем электромеханический преобразователь энергии, содержащий катушку с каналом для пролета магнитного якоря, с одного торца которой имеется стопор, ударно-волновую трубку, гильзу детонатора, содержащую первичное и вторичное взрывчатое вещество, электронный узел, содержащий таймер отсчета задержки, энергонезависимое запоминающее устройство задержки, сравнивающее устройство, силовой ключ, управляемый устройством сравнения, воспламенитель с накальным мостиком и пиросоставом, специализированную микросхему, с другого торца указанной катушки установлен патрон с пороховым зарядом с запрессованным магнитным якорем, ударно-волновая трубка стыкуется с запальным отверстием патрона, а электронный узел содержит вспомогательный RC-генератор умеренной точности и генератор с низкочастотным вилочковым кварцевым резонатором, с возможностью раскачивания в начале задержки вспомогательным RC-генератором, кроме того электромеханический и электронный узлы интегрированы в единый стальной корпус.
На Фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства. На Фиг. 2 приведена структурная схема электронного узла замедлителя.
Предлагаемый капсюль-детонатор содержит: 1 УВТ, 2 - Уплотняющая втулка, 3 - Гильза детонатора, 4 - Стальной корпус замедлителя, 5 - Патрон, 6 - Капилляр, 7 - Пороховой заряд, 8 - Магнитный якорь, 9 - Катушка электромеханического преобразователя, 10 - Стопор, 11 - Электронный узел замедлителя, 12 - Плата воспламенителя, 13 - Воспламенитель с накальным мостиком и пиросоставом, 14 - Первичное взрывчатое вещество (ВВ), 15 - Вторичное ВВ.
Схема электронного узла замедлителя (Фиг. 2) содержит: специализированную микросхему SC, накопительный конденсатор С, низкочастотный вилочковый кварцевый резонатор Q, воспламенитель с накальным мостиком и пиросоставом IG. На кристалле специализированной микросхемы размещены: выпрямительный мост RB, линейный регулятор LR, генератор OSC1 с низкочастотным вилочковым кварцевым резонатором Q, вспомогательный RC-генератор умеренной точности OSC2 для раскачки низкочастотного вилочкового кварцевого резонатора Q, таймер ТМ для отсчета задержки, энергонезависимое запоминающее устройство PROM для хранения величины задержки, устройство сравнения CD, силовой ключ SW. Специализированная микросхема SC разработана для использования в предлагаемом капсюле - детонаторе, по высоковольтной технологии TSMC 0,25 HV. Применение специализированной микросхемы минимизирует количество компонентов на электронной плате замедлителя.
Разгон магнитного якоря в электромеханическом преобразователе осуществляется не выхлопом УВТ 1, а специальным пороховым зарядом 7. Выхлоп УВТ используется только для воспламенения пороха 7. Калиброванная пороховая навеска размещается в патроне 5, в который запрессовывается магнитный якорь 8. В днище патрона имеется капилляр 6, который служит запальным отверстием. Диаметр капилляра 6 выбран таким образом, чтобы происходило надежное воспламенение пороха, и в то же время капилляр должен быть достаточно мал, чтобы не допускать быстрого падения давления пороховых газов. Такое решение обеспечивает независимость скорости магнитного якоря 8 от качества УВТ 1 и способа ее запрессовки в гильзу детонатора 3.
Устройство работает следующим образом: после подачи инициирующего импульса выхлоп УВТ через капилляр 6 проникает внутрь патрона 5 и воспламеняет пороховой заряд 7. Пороховые газы разгоняют магнитный якорь 8, который, пролетая сквозь канал катушки 9 электромеханического преобразователя энергии, индуцирует биполярный импульс напряжения. После пролета катушки якорь улавливается стопором 10. Импульс напряжения через выпрямительный мост RB заряжает накопительный конденсатор С. Линейный регулятор LR снижает напряжение до рабочего для электронных узлов. Сразу же после подачи напряжения запускаются два генератора: генератор OSC1 с низкочастотным вилочковым кварцевым резонатором Q и вспомогательный OSC2. Вспомогательный RC-генератор умеренной точности OSC2 раскачивает низкочастотный вилочковый кварцевый резонатор Q, после чего отключается. Далее задержка отсчитывается с помощью таймера ТМ по тактам кварцевого генератора OSC1. Устройство сравнения CD сравнивает содержимое таймера со значением задержки, занесенным в энергонезависимое запоминающее устройство PROM. По достижении заданной задержки устройство сравнения CD открывает силовой ключ SW, который подает напряжение на накальный мостик воспламенителя IG. Пиросостав воспламенителя 13, нанесенный на накальный мостик, вспыхивает и воспламеняет первичное ВВ 14, горение которого практически мгновенно переходит в детонацию, инициируя вторичное ВВ 15. Значение задержки в электронный узел заносится в энергонезависимое запоминающее устройство PROM на этапе тестирования замедлителя через выводы программирования PP.
Для повышения точности задержки взрыва в предлагаемом устройстве используется низкочастотный вилочковый кварцевый резонатор, который в начале отсчета задержки раскачивается вспомогательным RC-генератором умеренной точности. Точность вспомогательного RC-генератора умеренной точности может отличаться от резонансной частоты кварцевого резонатора на ±2%. Раскачка длится около 500 мкс, этого достаточно, чтобы вывести кварцевый генератор на рабочий режим. Такой подход обеспечивает точность задержки порядка 0,01%, в то время как калибровка вспомогательного RC-генератора умеренной точности по точному высокочастотному генератору обеспечивает точность на порядок хуже.
Электронный и электромеханический узлы конструктивно размещены в едином стальном корпусе замедлителя 4, пригодном для автоматической сборки.
Этот корпус 4 размещается в капсюле детонатора сразу за вторичным 15 и первичным ВВ 14, донышком патрона 5 в сторону УВТ. Вплотную к донышку вставлена УВТ 1 с уплотняющей втулкой 2. УВТ с уплотняющей втулкой герметизируется обжимкой.
Применение генератора с низкочастотным вилочковым резонатором для отсчета задержки позволило снизить потребление генератора до 1,5-2 μА, а точность поддержания задержки улучшилась до ±0,01%. Принудительная раскачка вилочкового кварцевого резонатора при включении низкочастотного генератора минимизирует время выхода на рабочий режим (~500 μS). Без принудительной раскачки низкочастотный кварцевый генератор выходит на режим за время порядка одной секунды.
Разгон магнитного якоря с помощью порохового заряда стабилизирует скорость якоря и исключает зависимость скорости от качества УВТ и способа ее заделки.
Стальной корпус, в котором монтируются электромеханический и электронный узлы замедлителя, надежно защищает замедлитель от разрушения при динамическом воздействии выхлопа УВТ.