ЭЛЕКТРОВОСПЛАМЕНИТЕЛЬ
ELECTRIC IGNITER

Изобретение относится к области электрических средств воспламенения и предназначено для воспламенения взрывчатых веществ, пиротехнических композиций и т.п. автономно, например, для воспламенения пороха в фейерверках, или в составе электрических средств инициирования и пироавтоматики (ЭСИП), например в электрозажигателях, электровоспламенителях, пиропатронах, электродетонаторах, разрывных болтах.
Электрический способ воспламенения имеет много достоинств, но есть и существенный недостаток, заключающийся в опасности преждевременных срабатываний под действием блуждающих токов. Следствием могут быть травмы, а также серьезные нарушения алгоритмов функционирования объектов, в которых установлены ЭСИП.
Электровоспламенители в зависимости от того, как в них реализуется преобразование электрического тока, обычно подразделяют на 4 типа: с токопроводящим воспламенительным составом, искровые, с взрывающимся мостиком и с мостиком накаливания.
В конструкциях с токопроводящим воспламенительным составом ток проходит непосредственно через состав, который зажигается от выделяемого при этом тепла. Данные изделия имеют нестабильные электрические характеристики, меняющиеся при хранении, поэтому имеют ограниченное применение.
В искровых конструкциях воспламенительный состав зажигается от искры, возникающей при пробое состава, находящегося между двумя электродами (токопроводящими элементами). Для возникновения искрового пробоя через воспламенительный состав в этом изделии требуется подача напряжения величиной не менее тысячи вольт [1]. Это условие обеспечивает хорошую защиту от блуждающих токов, характеризующихся незначительными электрическими потенциалами, то есть токов гальванического происхождения, наводки и утечки. Однако стойкость к блуждающим токам электростатического происхождения при этом очень низкая. Недостатками являются также непригодность искровых конструкций для группового подрыва (одновременного подрыва группы изделий от одного источника электропитания), необходимость использования источников электропитания напряжением более тысячи вольт, высокие требования к качеству изоляции электрических цепей.
В конструкциях с взрывающимся мостиком при подаче высокого напряжения взрывается сам мостик, представляющий собой металлическую проволочку или фольгу (пленку), присоединенную к токопроводящим элементам. Примером может служить электродетонатор ЭДВ-1 [2, 3]. Электродетонаторы с взрывающимся мостиком по отношению к искровым лучше защищены от несанкционированного срабатывания под действием блуждающих токов, в том числе электростатического происхождения, но требуют еще больших напряжений источников тока. Так, для подрыва электродетонатора ЭДВ-1 требуется подача напряжения 15 кВ [2, 3]. Соответственно возрастают требования к качеству изоляции.
В мостиковых конструкциях ток проходит через мостик накаливания, представляющий тонкую металлическую проволочку, соединенную с токопроводящими элементами. При прохождении тока происходит разогрев мостика. Если при этом воспламенительный состав, контактирующий с мостиком, нагревается до температуры вспышки, происходит его воспламенение. Минимальное значение тока, при котором воспламенение воспламенительного состава происходит безотказно, называется воспламеняющим током. Максимальное значения тока в мостике, гарантированно не вызывающего зажигание, называется безопасным током. Стабильность электрических характеристик во времени, низкие требования к источникам тока (для срабатывания достаточно напряжения нескольких вольт), хорошие возможности группового подрыва обусловили широкое практическое применение конструкций мостикового типа как для взрывных работ при добыче полезных ископаемых, так и в объектах военной и космической техники.
Известен электродетонатор мостикового типа ЭД-8-Ж, широко применяемый для взрывных работ в горнорудной промышленности [2-4]. В его конструкцию входит электровоспламенитель, представляющий собой полиэтиленовую пробку, через которую проходят токопроводящие элементы, к которым припаян мостик из нихромовой проволоки диаметром 30 мкм, сопротивлением от 1,3 до 2 Ом. ЭД-8-Ж безотказно срабатывает при подаче тока 1 А за время от 2 до 6 мс. Недостатком данного электродетонатора является слабая защищенность от блуждающих токов. Величина безопасного тока составляет 0,18 А, что соответствует минимальным требованиям, предъявляемым к электродетонаторам промышленного назначения [2]. Следует также отметить низкую безопасную мощность, рассеиваемую на мостике при пропускании безопасного тока. Она составляет 0,04 Вт. В отечественной практике требования к безопасной мощности отсутствуют, но за рубежом данный параметр является критерием защищенности от блуждающих токов наряду с безопасным током. Согласно стандарту США [5], электродетонаторы военного назначения не должны воспламеняться в течение 5 мин при подаче минимального тока 1 А с соответствующей минимальной мощностью 1 Вт.
Известен термостойкий электродетонатор мостикового типа Dynawell 1018 НМХ фирмы Dynaenergetics, применяемый для прострелочно-взрывных работ в нефтяных скважинах [6]. В его конструкцию включено дополнительное сопротивление, увеличивающее общее сопротивление изделия до 50 Ом. За счет этого безопасная мощность увеличена до 1 Вт, но безопасный ток составляет только 0,2 А.
Известен электродетонатор ЭД-1-8-Т [3, 4], в конструкции которого используется электровоспламенитель, отличающийся от электровоспламенителя ЭД-8-Ж тем, что мостик выполнен из константановой проволоки диаметром 80 мкм. Данный электродетонатор, принятый за прототип настоящего изобретения, гораздо лучше защищен от блуждающих токов. Безопасный ток составляет 1 А.
Физическое обоснование повышения безопасного тока за счет увеличения диаметра и изменения материала мостика следует из соотношения (1), которое можно получить, приняв, что все джоулево тепло, выделяемое при прохождении тока по мостику, затрачивается на его нагрев.
0
где I - ток в мостике, t - длительность прохождения тока, ρ - удельное сопротивление материала мостика, c - удельная теплоемкость материала мостика, γ - плотность материала мостика, S - площадь сечения мостика, T - температура, до которой нагрет мостик, Т - начальная температура мостика.
12
4
12
4
При увеличении площади сечения S и соотношения сγ/ρ, характеризующего материал мостика, при равных значениях тока мостик нагревается до меньшей температуры, что и обуславливает увеличение устойчивости электродетонатора к току. Диаметр мостика ЭД-1-8-Т в 2,7 раза больше, чем ЭД-8. Соотношение сγ/ρ для константана составляет 7,5·10 Дж/К·м·Ом, для нихрома - 3,3·10 Дж/К·м·Ом [1]. За счет этого безопасный ток ЭД-1-8-Т более чем в 5 раз превышает безопасный ток ЭД-8-Ж.
Недостатком прототипа является небольшая безопасная мощность. На мостике ЭД-1-8-Т, имеющем сопротивление от 0,1 до 0,15 Ом, рассеивается 0,1-0,15 Вт.
Цель настоящего изобретения состоит в повышении стойкости электрических средств воспламенения к электрическим воздействиям, создании электровоспламенителя, имеющего безопасный ток не менее 1 А и безопасную мощность не менее 1 Вт.
2
Поставленная цель достигается тем, что мостик накаливания, схематично представленный на фиг. 1, выполнен в виде слоя из резистивного материала 1, нанесенного на пластинку из диэлектрического материала 2. В слое из резистивного материала имеется поперечная выемка (прорезь) 3, длина которой l составляет 0,3-0,5 от ширины слоя W. Удельное сопротивление резистивного материала составляет не менее 5 Ом·мм/м. В качестве материала диэлектрической пластинки используется керамика на основе корунда. Для удобства припаивания к токопроводящим элементам на торцы мостика нанесено токопроводящее покрытие 4 с хорошей адгезией к припою, например, оловянное.
Примеры предлагаемой конструкции электровоспламенителя схематично представлены на фиг. 2 (а, б). Электровоспламенитель содержит пробку 5, токопроводящие элементы 6, к которым присоединен вышеописанный мостик накаливания 7. На мостик нанесен воспламенительный состав 8.
Данные конструктивные решения обеспечивают увеличение безопасной мощности по отношению к прототипу за счет увеличения площади сечения мостика и уменьшения количества тепла, передаваемого от резистивного слоя в воспламенительный состав.
2
Сопротивление мостика прямо пропорционально удельному сопротивлению ρ и обратно пропорционально площади сечения S. В прототипе используется мостик накаливания из константана, имеющего удельное сопротивление 0,485 Ом·мм/м. Применение резистивного материала с удельным сопротивлением, в 10 раз превышающим это значение, позволяет 10-кратно увеличить площадь сечения S, не изменяя сопротивление мостика. Безопасный ток при этом возрастает, так как температура разогрева мостика уменьшается. Согласно формуле (1) температура Т прямо пропорциональна величине ρ в первой степени и обратно пропорциональна величине S в квадрате. Увеличение безопасного тока при постоянном сопротивлении ведет к увеличению безопасной мощности, равной произведению безопасного тока на сопротивление.
Если площадь сечения S увеличить менее чем в 10 раз, безопасная мощность также возрастет, так как увеличится сопротивление мостика. Данный путь увеличения безопасной мощности предпочтителен, так как при малом сопротивлении мостика можно не заметить короткого замыкания токопроводящих элементов, вполне вероятного в процессе производства при пайке мостика.
Уменьшение количества тепла, передаваемого от резистивного слоя в воспламенительный состав, обеспечивается за счет отвода тепла в пластину из диэлектрического материала. Большое удельное сопротивление резистивного материала, существенно превосходящее удельное сопротивление металлов, позволяет иметь большую ширину слоя и соответственно большую поверхность контакта с пластиной, что ведет к увеличению отвода тепла. Использование в пластине керамики на основе корунда, имеющего высокую теплопроводность (40 Вт/м·К при температуре 27°C [7]), обеспечивает повышение эффективности теплоотдачи.
Меры, направленные на повышение уровня защищенности от блуждающих токов, приводят к увеличению времени срабатывания электровоспламенителя. При большом сечении резистивного слоя и эффективном отводе тепла для достижения температуры вспышки воспламенительного состава требуется длительное время пропускания тока. Поперечная выемка (прорезь) на слое из резистивного материала позволяет существенно уменьшить это время за счет создания области слоя, имеющей уменьшенное сечение и соответственно увеличенное сопротивление. В этой области при пропускании тока выделяется большая часть тепловой энергии. Если ток небольшой, эта энергия отводится в диэлектрическую пластинку и токопроводящие элементы, температура воспламенительного состава поднимается незначительно. При больших значениях тока тепло не успевает отводиться, чему способствует существенное уменьшение теплопроводности корунда, происходящее при увеличении температуры (в интервале от 27 до 627°C теплопроводность снижается с 40 до 15,7 Вт/м·К [7]). Происходит быстрый прогрев области уменьшенного сечения и срабатывание электровоспламенителя.
Выбор качественных и количественных характеристик мостика накаливания предлагаемого электровоспламенителя произведен исходя из условия достижения положительного эффекта (безопасного тока 1 А и безопасной мощности 1 Вт) при минимальном времени срабатывания и при габаритах мостика, обеспечивающих возможность применения в различных ЭСИП взамен существующих штатных мостиков. За основу технологии изготовлении мостика накаливания была принята технология производства чип-резисторов. Размеры слоя из резистивного материала составляли: ширина 700 мкм, толщина 30 мкм, длина 1200 мкм. Длина поперечной проточки варьировалась в пределах 210-350 мкм (0,3-0,5 от ширины слоя), при этом сопротивление мостика составляло (1±0,1) Ом. Диэлектрическая пластина изготавливалась из корунда. В качестве воспламенительного состава использовался тринитрорезорцинат свинца, замешанный на нитролаке.
Исследования электрических и временных характеристик электровоспламенителя показали, что безопасный ток превышает 1 А, безопасная мощность - 1 Вт. Время срабатывания составляет от 300 до 900 мкс при подаче тока 4 А. Прототип при том же значении безопасного тока имеет безопасную мощность в 10 раз меньше, а время срабатывания при токе 4 А в 10 раз больше.
Список литературы
1. Лурье А.И. Электрическое взрывание зарядов. - М.: Недра, 1973. - 272 с.
2. Граевский М.М. Справочник по электрическому взрыванию зарядов ВВ. - М.: Рандеву-АМ, 2000. - 446 с.
3. Щукин Ю.Г., Лютиков Г.Г., Поздняков З.Г. Средства инициирования промышленных взрывчатых веществ. - М.: Недра, 1996. - 155 с.
4. ГОСТ 9089-85. Электродетонаторы мгновенного действия. Технические условия. - М.: Изд-во стандартов, 1997. - 38 с.
5. Стандарт США MIL-I 23659C. Параметры военной техники. Детонаторы электрические. Общие характеристики продукции, 1972. - 23 с.
6. Dynaenergetics. Dynawell. Technical Information. - www.dynawell.com.
7. Агрескин А.А., Глейбман В.Б. Теплофизика твердого топлива. - М.: Недра, 1980. - 256 с.