Схема программируемого таймера, электронная схема детонатора с задержкой и электронный детонатор с задержкой - RU2129295C1

Чертежи

Показать все 9 чертежа(ей)

Описание

Настоящее изобретение относится к схеме электронного таймера, и, в частности, к схеме нового программируемого электронного таймера. Схема таймера выполнена таким образом, чтобы обеспечивать стабильные, точные и повторяемые задержки между принимаемым входным сигналом и выходным сигналом, формируемым в широком диапазоне рабочих напряжений и температур. Изобретение относится также к схеме электрического детонатора, который включает в себя схему таймера, обеспечивающую формирование выходного сигнала для воспламенения заряда взрывчатого вещества спустя заранее определенный временной интервал от момента приема сигнала инициирования.

Предшествующий уровень техники
В детонаторе для воспламенения заряда взрывчатого вещества часто оказывается важным точно управлять установкой выдержки времени, с которой заряд взрывчатого вещества воспламеняется после приема инициирующего сигнала. Известно, что для этой цели в детонаторе можно предусмотреть пиротехнический или электронный таймер. Например, при управлении установкой выдержки времени последовательности взрывов при взрывных операциях, типа минирования, разработки карьеров, конструирования или разрушения конструкций, например сооружений, серии зарядов взрывчатых веществ должны устанавливаться в точной временной последовательности, чтобы получить желаемый эффект взрыва, минимизировать ударные силы, действующие на окружающую среду, и надлежащим образом произвести разрушение структуры. Это требует использования ряда детонаторов, каждый из которых обеспечивает воспламенение заряда взрывчатого вещества с заранее определенным точным временным интервалом, обычно измеряемым миллисекундами, от момента приема сигнала воспламенения.

Обычные пиротехнические замедлители, вводимые в детонаторы, используемые для воспламенения зарядов взрывчатых веществ, испытывают на себе влияние разброса свойств, обусловленных условиями изготовления, в частности химического состава содержащегося в них замедлителя, вследствие чего не достигается высокая точность интервалов задержки.

Известно, что вместо пиротехнических замедлителей можно использовать электронные схемы временной задержки. Например, введение в обычный капсюль-детонатор электронных схем установки выдержки времени вместо обычного пакета пиротехнического замедлителя для обеспечения задержки между моментом приема капсюлем сигнала воспламенения и моментом подрыва капсюля, описано в патенте США N 5.173.569 от 22.12.92г. на "Детонатор с цифровым устройством задержки". В этом патенте описан капсюль-детонатор, который содержит электронные схемы, реагирующие на входной сигнал для установления задержки между моментом приема входного сигнала и моментом воспламенения заряда взрывчатого вещества в капсюле. Капсюль установлен на конце отрезка трубки подрыва, которая передает сигнал инициирования импульсного типа на капсюль. Импульсный сигнал действует на пьезоэлектрический генератор, вырабатывающий электрический входной сигнал, подаваемый на схему электронного таймера. Спустя определенную временную задержку схема таймера выдает выходной сигнал, который используется для воспламенения капсюля. Обычным детонаторам с электронной установкой выдержки времени свойственны недостатки, типичные для электронных таймеров, в смысле гибкости и надежности их программирования и использования. Например, обычные многокаскадные цифровые таймеры могут содержать ряд каскадов бистабильных счетных схем, каждая с отдельным проводом, который выводится из схемы для программирования. Каждый из этих проводов должен быть механически подсоединен либо к источнику напряжения, либо к заземлению, и требуется другой программный провод для загрузки этих программных сигналов в каскады счетчика. Каскады счетчика заранее устанавливают на уровни напряжений, к которым подсоединяются их индивидуальные программные провода при возбуждении программного провода. Такие таймеры не имеют встроенных стабилизаторов напряжения и не содержат встроенных генераторных схем. Обычный четырнадцатикаскадный программируемый счетчик требует два провода источника электропитания, четырнадцать проводов программирования, один провод программной нагрузки, один входной провод генератора и по меньшей мере один выходной провод. Такая схема для правильной работы требует по меньшей мере девятнадцать отдельных проводов.

Сущность изобретения
В соответствии с настоящим изобретением обеспечена схема программируемого таймера, которая выполнена с возможностью приема электрического сигнала инициирования и выработки выходного сигнала таймера на заранее определенном интервале от момента приема электрического сигнала инициирования. Схема таймера содержит питаемый электрической энергией счетчик, содержащий множество последовательных каскадов счетчика, включая первый каскад сигнала счетчика и последний каскад счетчика для выдачи выходного сигнала счетчика. Каждый каскад счетчика выполнен с возможностью приема входного сигнала счетчика, имеющего активное или неактивное логическое состояние, и выдачи выходного сигнала, имеющего активное или неактивное логическое состояние. Логическое состояние выходного сигнала каскада счетчика зависит от изменения логического состояния входного сигнала каскада счетчика. Для обеспечения входного сигнала каскада счетчика для первого каскада счетчика имеется запитываемый электроэнергией генератор. Схема содержит также запитываемую электроэнергией схему программирования, содержащую бистабильную логическую схему между каждым каскадом счетчика и следующим последовательным каскадом счетчика для приема с предыдущего каскада счетчика выходного сигнала каскада счетчика и для приема сигнала каскада программирования, имеющего активное или неактивное состояние. Бистабильная логическая схема выдает на последующий каскад счетчика входной сигнал каскада счетчика, имеющий логическое состояние, определяемое логическим состоянием сигнала каскада программирования и выходного сигнала каскада счетчика. Схема программирования включает в себя каскад программирования, связанный с каждым бистабильным логическим элементом. Каждый каскад программирования выполнен таким образом, чтобы выдавать на соответствующую бистабильную логическую схему сигнал каскада программирования. Схема таймера также содержит средство электронного инициирования, для установки схемы таймера в логическое состояние, определяемое схемой программирования, до осуществления приращения счета счетчика, и источника электропитания для подачи электроэнергии по меньшей мере на счетчик, генератор, схему программирования и средство инициализации.

В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения, схема программирования может содержать вход тока плавкого предохранителя, а каждый каскад программирования может содержать а) средство фиксатора для формирования сигнала фиксации, из которого формируется сигнал каскада программирования, в) плавкий предохранитель, который при неповрежденном состоянии во время работы таймера заземляет сигнал фиксации, благодаря чему сигнал каскада программирования имеет неактивное логическое состояние, и который при перегорании позволяет сигналу фиксации выдавать сигнал каскада программирования, имеющий активное логическое состояние, и с) средство переключателя плавкого предохранителя, реагирующее на логическое состояние выходного сигнала предыдущего каскада счетчика для пропускания тока плавкого предохранителя на плавкий предохранитель для его срабатывания, когда выходной сигнал предыдущего каскада счетчика находится в активном состоянии.

В соответствии с другим аспектом изобретения, схема таймера может дополнительно содержать вход сигнала программирования для приема и передачи на каждый каскад программирования сигнала программирования, а каждое средство переключателя плавкого предохранителя выполнено с возможностью срабатывания на наличие сигнала программирования для пропускания тока плавкого предохранителя на плавкий предохранитель, когда выходной сигнал предыдущего каскада счетчика находится в активном логическом состоянии.

В соответствии еще с одним аспектом изобретения, схема программирования может дополнительно содержать средство контроля, связанное с каждым каскадом программирования, для выдачи активного сигнала каскада программирования, даже когда плавкий предохранитель неповрежден.

Соответствующую настоящему изобретению схему таймера можно применять в схеме детонатора с электронной задержкой для использования в системах инициирования взрыва, возбуждаемых неэлектрическим импульсным сигналом. Такая схема детонатора может содержать (i) схему преобразования сигналов для приема импульсного сигнала из линии передачи импульсного сигнала и преобразования импульсного сигнала в электрический сигнал инициирования; (ii) схему описанного выше электронного таймера для отсчета выбранного временного интервала в ответ на прием электрического сигнала инициирования, причем схема электронного таймера соединена со средством преобразования сигналов для приема с него электрического сигнала инициирования и запуска после этого отсчета выбранного временного интервала и, по окончании этого временного интервала, выдачи выходного сигнала, и (iii) средство воспламенителя с электрическим запуском, соединенное со схемой электронного таймера для возбуждения выходного заряда детонатора при приеме выходного сигнала таймера со схемы таймера.

Схема детонатора может содержать часть детонатора с электронной задержкой, содержащего корпус, один конец которого выполнен соразмерно с подсоединяемой линией передачи сигнала, предназначенной для передачи неэлектрического импульсного входного сигнала в корпус, описанную выше схему электронного детонатора с задержкой со средством преобразования сигнала, расположенную в цепи передачи сигнала, связанной с линией передачи сигнала, и выходной заряд детонатора в инициирующей связи со средством воспламенителя.

Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет блок-схему элементов схемы детонатора, содержащей соответствующую настоящему изобретению схему таймера.

Фиг. 2 представляет схему счетчика, показанного на фиг. 1.

Фиг. 3A и 3B представляют схему последовательной пары каскадов счетчика с бистабильной логической схемой между ними в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 4 представляет логическую схему программного каскада, включающую в себя логическую схему проверки, связанную с каждой бистабильной логической схемой в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения.

Фиг. 5 представляет схему одного из вариантов выходного возбудителя, показанного на фиг. 1.

Фиг. 6A представляет вид, частично в поперечном разрезе, иллюстрирующий один из вариантов осуществления детонатора с задержкой, содержащего схему таймера, соответствующую изобретению и имеющую соединенную с ней линию передачи входного сигнала ударной трубки.

Фиг. 6B представляет вид в увеличенном масштабе элементов изоляционного колпачка и инициирующего заряда детонатора, показанного на фиг. 6A.

Фиг. 7 представляет фрагмент вида, соответствующего показанному на фиг. 6A, иллюстрирующего пьезоэлектрический генератор 130 по фиг. 6A.

Фиг. 8 представляет схематическое изображение в увеличенном масштабе, в разобранном виде показанных на фиг. 7 элементов с более подробным изображением пьезоэлектрического генератора.

Фиг. 9 представляет вид в увеличенном масштабе пьезоэлектрического генератора, показанного на фиг. 7 и 8.

Подробное описание изобретения и предпочтительных вариантов его осуществления
Соответствующую настоящему изобретению схему таймера можно постоянно программировать для введения предварительно выбранной задержки между приемом сигнала инициирования и выдачей выходного сигнала.

Соответствующая настоящему изобретению схема таймера не теряет свою программу при отключении электропитания. Она корректно функционирует после значительных периодов неиспользования и может работать в широком диапазоне рабочих напряжений и температур. Соответствующая настоящему изобретению схема таймера требует меньше внешних соединительных проводов для ее работы, чем обычные программируемые схемы таймеров, имеет стандартную конфигурацию непрограммируемой схемы и является однократно программируемой для обеспечения выходного сигнала после заранее определенного временного интервала от приложения входного сигнала. Если необходимо, то соответствующая настоящему изобретению схема таймера способна после заводского программирования обеспечивать управляемую электронным способом временную задержку, не требуя программирования выбранной задержки в условиях эксплуатации. В качестве альтернативы, схему таймера можно вводить в устройства, предназначенные для программирования конечным пользователем для обеспечения выбора требуемого интервала задержки в условиях эксплуатации.

Соответствующая настоящему изобретению схема в общем случае пригодна для любых условий, в которых требуется электронным образом устанавливаемая временная задержка. Например, соответствующую настоящему изобретению схему таймера можно вводить в электронную схему детонатора для обеспечения электронного сигнала воспламенения запала через заранее определенный интервал после приема электронного сигнала инициирования. Таким образом, ряд схем детонаторов, собранных в соответствии с настоящим изобретением, можно по отдельности программировать с различными выбираемыми временными задержками для обеспечения выходных сигналов, которые воспламеняют ряд подрывных зарядов в точно установленной временной последовательности.

Последующее подробное описание касается схемы детонатора, использующей соответствующий настоящему изобретению электронный таймер, вводимый способом, известным специалистам в данной области техники, например, как описано в патенте США N 5.173.569.

Как показано на фиг. 1, схема детонатора 10 содержит источник электропитания 12 для выработки короткого импульса тока большой амплитуды для зарядки конденсатора электропитания (или "конденсатора воспламенения запала") 14. Подходящим типом источника электроэнергии является пьезопреобразователь, способный преобразовывать сигнал ударной трубки в электрический импульс воспламенения, как более полно описано ниже. Конденсатор электропитания 14 изолирован от источника электропитания посредством выпрямителя быстродействующего преобразования или развязывающего диода 16. Заряженный конденсатор 14 электропитания обеспечивает входное напряжение VCC, которое затем используется для электропитания остальной схемы детектора, включая схему таймера.

Конденсатор 14 электропитания связан с интегральной схемой 18, которая содержит программируемую электронную схему таймера, соответствующую одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Интегральная схема 18 содержит стабилизатор напряжения 20, 14-каскадный асинхронный счетчик 22 на каскадно-включенных триггерах, генератор 24, 14-разрядную программируемую матрицу 23 и выходной возбудитель 28. Интегральная схема содержит провод 26 ввода сигнала программирования для программирования интегральной схемы 18 на заранее определенное логическое состояние. Счетчик 22 вводит временную задержку между приемом интегральной схемой 18 электронного сигнала инициирования и выдачей сигнала таймера на необязательный выходной возбудитель 28. Задержка определяется частотой генератора и состоянием программирования схемы. Выходной сигнал таймера приводит в действие выходной возбудитель 28, который затем выдает сигнал воспламенения запала. Сигнал воспламенения запала приводит в действие электронный выключатель 40 типа выключателя Дарлингтона для замыкания шунтирующей цепи, через которую конденсатор электропитания 14 разряжается через воспламенитель 30 для воспламенения детонатора, как более подробно описано ниже.

Стабилизатор напряжения 20 регулирует выходное напряжение конденсатора 14 электропитания до очень стабильного напряжения в диапазоне 2-5 вольт, например, 3 вольта, которое используется остальной частью интегральной схемы 18 и которое обозначено символом VDD. Стабилизатор напряжения 20 требует использования двух внешних конденсаторов C1 и C2, то есть конденсаторов, которые не входят в состав интегральной схемы и затем к ней подсоединяют. Конденсатор C1 заряжается до напряжения VDD посредством стабилизатора напряжения 20 и используется в качестве устройства накопления для снижения пульсации на регулируемом напряжении и обеспечения электроэнергии для остальной части интегральной схемы. Второй внешний конденсатор C2 используется для шунтирования ограничивающего ток резистора 21, чтобы каждый раз, когда электропитание снова подается на схему, обеспечивать возможность стабилизатору напряжения 20 очень быстро достигать рабочего напряжения.

Генератор 24 подает стабильный периодически повышающийся и понижающийся сигнал для счетчика 22. Период сигнала является существенным фактором при определении диапазона установки выдержки времени, в котором схему можно программировать на выбранную временную задержку. Кроме того, в качестве генератора 24 может быть использован генератор, частота которого определяется внешним резистором установки выдержки времени 32 и конденсатором установки выдержки времени 34. С помощью такого генератора одну и ту же интегральную схему можно легко модифицировать для изменения ее максимального временного интервала посредством соответствующего выбора внешних элементов. Однако, если необходимо, то можно использовать генератор фиксированной частоты.

Генератор 24 предпочтительно выполнен так, чтобы обеспечивалась стабильность во всем рабочем температурном диапазоне от -55^oC до 65^oC. Это достигается за счет использования устойчивого к изменению температуры опорного напряжения. Стабилизатор напряжения 20 использует опору на основе запрещенной зоны, которая отличается чрезвычайно высокой температурной стабильностью. Кроме того, схема таймера содержит стандартную схему генератора, предназначенную для работы при токе, достаточно малом для обеспечения нечувствительности к малым изменениям в характеристиках схемы и достаточно большим для сохранения бистабильного режима работы. Схема генератора содержит три поликремниевых резистора, образующих делитель напряжения для формирования двух пороговых напряжений для различных ветвей схемы генератора. Резисторы предпочтительно выбирают так, чтобы изменения номиналов этих резисторов при уходе температуры компенсировали изменение пороговых значений генератора. Тщательный выбор параметров внешнего резистора 32 и конденсатора 34 также играет важную роль в работе генератора. При использовании резистора с узкими пределами изменения температурного коэффициента и конденсатор NPO-типа обеспечивается создание генератора, который сохраняет стабильность во всем диапазоне рабочих температур от -55^oC до 65^oC, например он может иметь температурный коэффициент менее 150 миллионных долей на 1^oC.

Счетчик 22 содержит два или более каскада на бистабильных цифровых триггерах с расположением между ними схем программирования, что будет более подробно описано ниже. Первый каскад счетчика возбуждается генератором 24, а выход последнего каскада счетчика подсоединен к выходному возбудителю 28. Выходной возбудитель приводится в действие, когда генератор 24 вызывает приращение счетчиком 22 до логического состояния, определяемого конфигурацией программируемой матрицы 23. Как будет более подробно описано ниже, конфигурация программируемой матрицы 23 может определяться перед использованием с помощью соответствующих сигналов программирования, подаваемых по проводу 26 программирования.

На фиг. 2 представлен обычный триггерный каскад счетчика, который можно использовать в счетчике 22 (фиг. 1). Триггер имеет порт напряжения VDD для приема электроэнергии от источника электропитания, например, от конденсатора C1. Он также имеет порт генератора тактовых импульсов для приема входного сигнала каскада счетчика и порт установки в исходное состояние и хорошо известные в технике схемы установки логического состояния выходного сигнала триггера в заранее определенное логическое состояние (обычно в неактивное состояние) при приеме сигнала установки в исходное состояние при включении электропитания, генерируемого хорошо известными в технике схемами (не показаны) установки в исходное состояние при включении электропитания. Триггер имеет также выходной порт для выдачи выходного сигнала Q каскада счетчика. Имеется также второй выходной порт для выдачи инверсного выходного сигнала /Q каскада счетчика. Инверсный выходной сигнал /Q подается на входной порт D для получения обычного триггера со счетным запуском (Т-типа).

Обычный счетчик каскадного типа содержит последовательность триггерных регисторов или "каскадов счетчика", выходные сигналы которых вначале все находятся в одном и том же неактивном логическом состоянии (представленным символом "0") и которые подаются таким образом, что выходной сигнал Q одного каскада счетчика поступает непосредственно на вход тактовых импульсов следующего каскада счетчика, то есть каскады счетчика включены последовательно. Выходной сигнал 9 каскада счетчика не изменяется до тех пор, пока входной сигнал не перейдет с активного состояния представленного символом "1") обратно в первоначальное неактивное состояние "0". Следовательно переключение логического состояния выхода каждого последующего каскада счетчика из неактивного в активное, то есть от "0" к "1", представляет экспоненциальное деление на два количества входных импульсов, принимаемых первым каскадом генератора. Например, выходной сигнал последнего каскада счетчика обычного четырехкаскадного (четырехразрядного) счетчика переключается из состояния "0" в состояние "1" после 2³ (то есть 8) входных импульсов на первый каскад счетчика, и он переключается обратно в состояние "0" после 2⁴ (то есть 16) входных импульсов на первый каскад счетчика. Выходной сигнал последнего каскада в любом каскадном счетчике представляет старший разряд счетчика, то есть он представляет большее количество входных импульсов, чем любой другой каскад счетчика. Значимость каскадов счетчика уменьшается по мере их увеличения логического, то есть последовательного приближения к первому каскаду счетчика.

Соответствующая настоящему изобретению схема таймера содержит схему программирования, которая содержит электронный бистабильный логический элемент, расположенный между каждой последовательной парой каскадов счетчика, то есть между первым и вторым каскадами счетчика, между вторым и третьим каскадами счетчика и так далее, как бистабильный логический элемент 25 показан на фиг. 3A между каскадами 22a и 22в счетчика. Входные порты Т каскадов 22а и 22в счетчика соответствуют порту тактовых импульсов показанного на фиг. 2 триггера. Каскады 22а и 22в счетчика имеют также порты установки в исходное состояние, заземления и входа VDD, подобно показанному на фиг. 2 триггеру, но для упрощения они не показаны. В показанном варианте осуществления выходной сигнал /Q каскада 22а счетчика проходит на сигнальный вход В бистабильной логической схемы 25, которая содержит логические элементы 25а и 25в, и которая во время работы принимает также сигнал A программного каскада с соответствующего программного каскада (не показан). Бистабильная логическая схема 25 формирует входной сигнал Т для последующего каскада 22в счетчика. Каскад счетчика, выход которого подсоединен к данному программному каскаду или бистабильной логической схеме, называется здесь предшествующим каскадом счетчика относительно программного каскада и бистабильной логической схемы; каскад счетчика, который принимает выходной сигнал бистабильной логической схемы в качестве своего входного сигнала, называется здесь последующим каскадом счетчика. Таким образом, что касается бистабильной логической схемы, то каскад 22а счетчика является предшествующим каскадом счетчика, а каскад 22в счетчика является последующим каскадом счетчика. Каскады счетчика описаны в виде последовательно расположенных, несмотря на расположенные между ними бистабильные логические схемы.

В процессе работы на логическую схему не подается сигнал программы, так что логическое состояние сигнального входа программы для логического элемента 25в соответствует "неактивному" логическому состоянию. В соответствии с этим, если сигнал A имеет активное логическое состояние, бистабильная логическая схема 25 выдает на последующий каскад 22в счетчика входной сигнал, имеющий противоположное логическое состояние относительно состояния выходного сигнала /Q предшествующего каскада счетчика, то есть бистабильная логическая схема "инвертирует" сигнал /Q. С другой стороны, если сигнал A имеет неактивное логическое состояние, бистабильная логическая схема 25 выдает на каскад 22а счетчика сигнал, имеющий такое же логическое состояние, как и сигнал /Q, то есть логическая схема 25 пропускает выходной сигнал состояния /Q непосредственно на последующий каскад счетчика. Имеет ли сигнал A активное логическое состояние во время работы или нет, определяется программированием схемы таймера, как описано ниже.

Если сигнал A вызывает инвертирование бистабильной логической схемой 25 сигнала /Q при подаче питания на схему, выходной сигнал каскада 22в счетчика переключается быстрее, то есть после меньшего количества импульсов генератора, чем в противном случае, в конечном итоге уменьшая количество импульсов генератора, которые должны подаваться, прежде чем счетчик выдаст выходной сигнал на возбудитель 28. Дополнительные активные сигналы A для других бистабильных логических схем дополнительно уменьшают число импульсов, необходимых для выдачи выходного сигнала таймера таким образом, который сравним в двоичным вычитанием. На фиг. 3B показана эквивалентная альтернативная конфигурация бистабильной логической схемы, в которой выходной сигнал Q каскада счетчика предшествующего каскада счетчика пропускается на бистабильную логическую схему 25, а также на программный каскад (не показан).

Возможный вариант осуществления соответствующего настоящему изобретению программного каскада показан на фиг. 4. При запуске схема установки в исходное состояние при подаче электропитания вырабатывает импульс сигнала установки в исходное состояние и сигнал отпирания фиксатора, которые поступают на входы R и LE, соответственно, фиксатора, содержащего логические элементы U1 и U2. Затем фиксатор вырабатывает сигнал A. Состояние сигнала A будет определяться состоянием плавкого предохранителя F, то есть является ли он неповрежденным или перегорел. Если плавкий предохранитель F перегорел, сигнал A имеет активное логическое состояние. Если плавкий предохранитель F не поврежден, сигнал A будет уменьшаться до неактивного логического состояния.

Если схема таймера инициируется, когда все плавкие предохранители не повреждены, состояние установки в исходное положение при подаче электропитания входного сигнала для каждого каскада счетчика, то есть выходного сигнала каждой бистабильной логической схемы, имеет неактивное логическое состояние или "0", которое переключается в активное состояние или "1" только после того, как входной сигнал на предшествующий каскад счетчика переключается на "1", а затем обратно на "0". В соответствии с этим, в последовательности n каскадов последний каскад счетчика не переключается на "1" для приведения в действие выходного возбудителя 28, пока первый каскад счетчика не примет 2^(n-1) импульсов генератора. Для уменьшения количества импульсов генератора, необходимых для приведения в действие выходного возбудителя 28, должны перегореть соответствующие плавкие предохранители в матрице программирования, что обеспечивается программированием схемы таймера.

В показанном на фиг. 4 варианте осуществления, каждый каскад программирования содержит выключатель с плавким предохранителем M1 (который в показанном на чертеже варианте содержит n-канальный, работающий в режиме обеднения полевой транзистор с изолированным затвором), плавкий предохранитель F, подсоединенный к выводу истока переключателя плавкого предохранителя M1, и вход PE сигнала разблокирования программирования и вход D каскада счетчика, подсоединенные к входам логического элемента U8. Выход логического элемента U8 подсоединен к затвору переключателя плавкого предохранителя M1, а вход сигнала программирования PVDD подсоединен к выводу стока переключателя плавкого предохранителя M1.

Один из способов программирования схемы состоит в прогоне счетчика в течение требуемого временного интервала и затем его остановки. Логическое состояние каждого выхода Q каскада счетчика воспринимается соответствующим каскадом программирования в качестве входного сигнала D. Затем сигнал тока плавкого предохранителя PVDD достаточной мощности для перегорания плавких предохранителей всех каскадов программирования, подается во входную линию 26 программирования с внешнего устройства проверки. Командный сигнал PE разблокирования программирования логического уровня, полученный из сигнала PVDD, также подается в каскад программирования. Если логическое состояние выхода каскада счетчика неактивное, логический элемент U8 не приводит в действие переключатель М1 и ток плавкого предохранителя PVDD, не пережигает плавкий предохранитель F. Однако, если вход D воспринимает выходной сигнал Q, имеющий активное логическое состояние, логический элемент U8 приводит в действие переключатель М1 и ток плавкого предохранителя PVDD приводит к срабатыванию плавкого предохранителя F. Как показано выше, срабатывание плавкого предохранителя изменяет логическое состояние программного сигнала A. Для предотвращения воздействия такого изменения на логическое состояние последующего каскада счетчика во время программирования, во время программирования на бистабильную логическую схему 25 обеспечивается блокирующий сигнал программирования (фиг. 3A) для предотвращения любого изменения логического состояния входного сигнала последующего каскада счетчика.

Альтернативный способ, который требует менее мощного сигнала программирования PVDD, состоит в прогоне счетчика до счета, при котором старший разряд каскада счетчика имеет активное логическое состояние. Сигнал программирования подается в провод программирования для срабатывания плавкого предохранителя каскада программирования, связанного с активным состоянием счетчика. Затем схема устанавливается в исходное состояние и прогоняется до следующего старшего разряда и вновь подается сигнал программирования PVDD. Этот цикл повторяется до тех пор, пока не сработают все плавкие предохранители каскадов программирования, которые принимают активные сигналы, когда счетчик достигает требуемого логического состояния.

Когда от схемы отключается электропитание и на нее вновь подается электропитание для использования, схема установки в исходное состояние при включении электропитания обеспечивает подачу сигнала (R) и сигнала (LE) на фиксатор каждого каскада программирования, который содержит логические элементы U1 и U2 для выработки соответствующего выходного сигнала A. Если плавкий предохранитель каскада сработал, сигнал A имеет активное логическое состояние. Сигнал A пропускается на соответствующую бистабильную логическую схему. Таким образом, при запуске некоторые из бистабильных логических схем имеют активный входной сигнал A, другие нет, и они выдают входные сигналы на соответствующие им последующие каскады счетчика, соответственно. Как описано выше, сигнал установки в исходное состояние подается на каждый каскад счетчика при подаче электропитания для установки выходных сигналов в их неактивные состояния. Таким образом схема таймера инициируется при подаче электропитания, то есть она устанавливается в заранее определенное логическое состояние, которое должно определять количество импульсов генератора, требуемых для приведения в действие выходного возбудителя 28.

Для заводских испытаний схема таймера содержит тестовые логические элементы (U3, U4 и U5), которые могут имитировать срабатывание плавких предохранителей до программирования схемы, то есть перед действительным срабатыванием предохранителей. Для испытания схемы каскады счетчика устанавливают в соответствующую логическую конфигурацию, например, посредством прогона счетчика до требуемого счета, как описано выше для программирования. Затем вместо подачи сигнала программирования PVDD подаются тестовые сигналы на входы логических элементов U3 и U7. Логический элемент U7 воспринимает также логическое состояние выхода Q соответствующего каскада счетчика, который обозначен входным сигналом D. При тестировании, если сигнал D находится в активном состоянии, логические элементы U3, U4 и U7 обеспечивают отпирание элемента U5, эффективно отсоединяя фиксаторные логические элементы U1 и U2 от заземления для имитирования срабатывания плавкого предохранителя и установления тестовой логической конфигурации. Тестовые сигналы сохраняются и схема инициализируется так, что каскады программирования выдают выходные сигналы A в соответствии с тестовой конфигурацией. Затем схема таймера может инициализироваться, и можно измерить интервал между сигналом инициирования и выдачей выходного сигнала.

После программирования схемы таймера, она готова к использованию. Затем можно стимулировать источник электропитания для зарядки конденсатора 14 источника электропитания до его рабочего напряжения. Развязывающий диод 16 предотвращает рассеяние накопленного заряда обратно через источник электропитания 12. Шунтирующий конденсатор C2 обеспечивает возможность конденсатору C1 очень быстро накопить требуемое напряжение регулятора. Как только накопительный конденсатор C1 зарядится до требуемого напряжения регулятора, стабилизатор напряжения 20 начинает стабилизировать это напряжение. Схема установки в исходное состояние при включении электропитания устанавливает фиксаторы каскада программирования в их программируемые логические состояния и вызывает выдачу выходными сигналами каскадов счетчика выходных сигналов в неактивном состоянии, устанавливая таким образом схему таймера в требуемое начальное логическое состояние. К этому времени стабилизатор напряжения осуществляет стабилизацию, а генератор 24 начинает выполнять цикл. На каждый фронт сигнала генератора 24 счетчик 22 увеличивает счет в соответствии с логической конфигурацией, устанавливаемой схемой программирования. После повторения генератором циклов до соответствующего счета, таймер выдает выходной сигнал на выходной возбудитель 28.

С точностью встроенного генератора стабильная воспроизводимая временная задержка в выдаче выходного сигнала таймера обеспечивается каждый раз, когда на схему подается электропитание. В показанном на чертеже варианте выходной сигнал таймера запускает выходной возбудитель 28, который приводит в действие выключатель 40 для замыкания цепи, через которую конденсатор поджига 14 может запускать воспламенитель 30 для подрыва заряда детонатора. Типовое устройство запуска или воспламенитель может содержать активный провод или полупроводниковый шунт. Выходной возбудитель, подходящий для этой цели, показан на фиг. 5. Он содержит два переключателя, один из которых приводится в действие выходным сигналом таймера. Когда выходной сигнал приводит в действие переключатель M2, переключатель M2 приводит в действие переключатель M3, который затем подает напряжение VDD с конденсатора C1 на устройство запуска, которым в этом случае является переключатель 40. Устройство запуска позволяет конденсатору 14 разряжаться через воспламенитель 30, который возбуждает выходной заряд детонатора.

На фиг. 6A показан один из вариантов осуществления электронного детонатора 100 с цифровой задержкой, содержащий соответствующую настоящему изобретению схему таймера. В показанном на чертеже варианте детектор с задержкой подсоединен к входной передающей линии, которая содержит в данном случае ударную трубку 110. Однако следует иметь в виду, что можно использовать другое средство передачи неэлектрического сигнала, типа детонирующего шнура, маломощного детонирующего шнура, ударной трубки низкой скорости и другие. Обычно можно использовать любое подходящее средство передачи неэлектрических импульсных сигналов. Как хорошо известно специалистам в данной области техники, ударная трубка содержит полую пластмассовую трубку, внутренняя стенка которой покрыта взрывчатым веществом, так что при воспламенении маломощная ударная волна распространяется по трубке. Ударную трубку 110 устанавливают в соответствующий корпус 112 посредством переходного корпуса 114, вокруг которого обжат корпус 112 на гофрах 116, 116а для закрепления ударной трубки 110 и образования уплотнения между переходным корпусом 114 и внешней поверхностью ударной трубки 110 для защиты от внешней среды. Корпус 112 имеет открытый конец 112а, в который входит корпус 114 и ударная трубка 110, и противоположный закрытый конец 112b. Корпус 112 изготовлен из электрически проводящего материала, обычно алюминия, и предпочтительно имеет размер и форму капсюль-детонатора, то есть детонатора. Участок 110а ударной трубки 110 проходит внутри корпуса 112 и заканчивается у конца 110b в непосредственной близости от антистатического изоляционного колпачка 118 или с опорой на него.

Как показано на фиг. 6B, изоляционный колпачок 118 представляет хорошо известный в технике элемент и изготовлен из полупроводникового материала, например, полимерного материала с углеродным наполнением, так что он образует дорожку для заземления для рассеяния статического электричества, которое может распространяться вдоль внутренней части ударной трубки 110. Рядом с антистатическим изоляционным колпачком 118 расположен маломощный дополнительный детонатор 120. Как показано на фиг. 6B и известно из уровня техники, антистатический изоляционный колпачок 118 содержит, как правило, цилиндрическое тело (которое обычно имеет форму конуса, усеченного непараллельными плоскостями, больший диаметр которого расположен ближе к открытому концу 112а корпуса 112), которое разделено тонкой разрываемой мембраной 118b на входную камеру 118а и выходную камеру 118с. Конец 110b ударной трубки 110 (фиг. 6A) введен во входную камеру 118а (ударная трубка 110 для простоты чертежа на фиг. 6В не показана). Выходная камера 118с обеспечивает воздушное пространство или зазор между концом 110b ударной трубки 110 и инициирующим зарядом 120. При работе ударная волна, идущая по ударной трубке 110, прорывает мембрану 118b, проходит зазор, обеспеченный выходной камерой 118с, ударяет в инициирующий заряд 120 и подрывает его.

Сам инициирующий заряд 120 содержит оболочку 122, имеющую чашеобразную конфигурацию, внутри которой запрессовано небольшое количество первичного взрывчатого вещества 124, типа свинцовой соли азотистоводородной кислоты, который закрыт первой упругой прокладкой 126. Первая упругая прокладка 126, которая расположена между изоляционным колпачком 118 и первичным взрывчатым веществом 124, защищает первичное взрывчатое вещество 124 от давления, воздействующего на него в процессе изготовления.

Непроводящий амортизатор 128, который обычно имеет толщину 0,030 дюйма (0,76 мм) расположен между инициирующим зарядом 120 и пьезоэлектрическим генератором 130 для электрического изолирования пьезоэлектрического генератора 130 от инициирующего заряда 120.

Переходной корпус 114, изоляционный колпачок 118, первая упругая прокладка 126 и инициирующий заряд 120 помещаются в оболочку 132 инициирующего заряда, как показано на фиг. 6В. Наружная поверхность изоляционного колпачка 118 находится в проводящем контакте с внутренней поверхностью оболочки 132 инициирующего заряда, которая, в свою очередь, находится в проводящем контакте с корпусом 112 для обеспечения пути прохождения электрического тока для любого статического электричества от ударной трубки 110. Как правило, оболочку 132 инициирующего заряда вставляют в корпус 112, а корпус 112 обжимают вокруг для удержания в нем оболочки 132 инициирующего заряда, а также для защиты содержимого корпуса 112 от окружающей среды.

Как показано на фиг. 6А, конденсатор 134 подсоединен к пьезоэлектрическому генератору 130 для приема электрического выходного сигнала от генератора 130 для накапливания. Конденсатор 134 может иметь емкость 10 микрофарад на напряжение 35 вольт. Его последовательное сопротивление предпочтительно низкое для обеспечения быстрого нарастания импульсов длительностью 1-2 микросекунды, поступающих с пьезоэлектрического генератора 130.

Рядом с конденсатором 134 размещена аккумуляторная батарея 136, а рядом с аккумуляторной батареей 136 находится модуль установки выдержки времени (таймера) 138, рядом с которым размещен электрически управляемый воспламенитель 140. Между выходным зарядом 144 и воспламенителем 140 размещена вторая упругая прокладка 142, аналогичная первой упругой прокладке 126, предназначенной для той же цели, что и первая упругая прокладка 126. Выходной заряд 144 содержит первичное взрывчатое вещество 144а и вторичное взрывчатое вещество 144b, которое имеет достаточную мощность для детонирования отлитых взрывчатых веществ для промежуточных детонаторов, динамита и так далее, детонация которых является обычной целью использования детонаторов. Воспламенитель 140, который подсоединен к выходу модуля 138 установки выдержки времени, при возбуждении подрывает первичное взрывчатое вещество 144а, которое, в свою очередь, подрывает вторичное взрывчатое вещество 144b, то есть воспламенитель 140 служит для подрыва выходного заряда 144. Воспламенитель 140 размещен внутри предпочтительно непроводящей втулки (не показана), которая служит для предотвращения самопроизвольного (случайного) подрыва выходного заряда 144 воспламенителем 140 благодаря сравнительно низкой сопротивляемости втулки и ее контакту с корпусом 112.

Компоненты, содержащиеся внутри корпуса 112, соответствующим образом заключены в герметизирующие составы для защиты компонентов и для сведения к минимуму вероятности подрыва или повреждения вследствие механического удара или электрических сигналов. То, что корпус 112 изготовлен из алюминия или другого электрически проводящего материала, также помогает экранировать внутренние компоненты как от электрических сигналов, так и от механических ударов, которые могли бы случайно привести в действие инициирующий заряд 120 или выходной заряд 144. Электрически проводящий корпус 112 обеспечивает высокую степень ослабления потенциально приводящих к повреждению электрических полей благодаря образованию цилиндра Фарадея вокруг чувствительных к электричеству компонентов. Размер и конфигурацию корпуса, как показано выше, предпочтительно выбирают таким образом, чтобы они точно соответствовали используемым в настоящее время промышленным стандартам на размеры детонатора.

В процессе функционирования показанный на фиг. 6А детонатор 100 с цифровой задержкой принимает входной импульс давления по ударной трубке 110, который подрывает инициирующий заряд 120, взрывная мощность которого, таким образом, усиливает входной импульс давления, получаемый ударной трубкой 110. Пьезоэлектрический генератор 130 подвергается действию энергии, выделяемой подрывом инициирующего заряда 120, и преобразует эту энергию в электрическую энергию. Эта электрическая энергия накапливается в накопительном конденсаторе 134, и часть ее используется для приведения в действие схемы установки выдержки времени модуля 138 и, после завершения заранее выбранного интервала, - возбуждения воспламенителя 140 для подрыва выходного заряда 144. Аккумуляторная батарея 136 используется для снабжения электроэнергией, необходимой для работы схемы установки задержки модуля 138 установки выдержки времени. При завершении цикла установки выдержки времени, накопленная энергия из конденсатора 134 подается в приводимое в электрически управляемый воспламенитель 140, подрывая тем самым первичное взрывчатое вещество 144а и вторичное взрывчатое вещество 144b. Таким образом, детонатор 100 с задержкой можно использовать для обеспечения очень точно управляемой задержки воспламенения заряда взрывчатого вещества, как это может потребоваться при подрыве структур, в которых необходимо подрывать большое количество зарядов с заранее определенной схемой установки выдержки времени. Управление электронными схемами задержки позволяет гораздо точнее реализовывать задержки, чем в случае задержек, которые обеспечиваются посредством обычных пиротехнических замедлителей, а питаемое от аккумуляторной батареи средство установки выдержки времени позволяет осуществлять выбор гораздо больших задержек, чем было бы возможно, если бы пьезоэлектрический генератор 130 подавал электроэнергию для питания схемы установки выдержки времени и возбуждения воспламенителя 140.

В альтернативном варианте, показанный на фиг. 6А вариант ударной трубки 110 можно заменить передающей линией, представляющей собой маломощный детонирующий шнур. Выходную мощность детонирующего шнура выбирают такой, чтобы она была достаточно низкой, чтобы не разрушить компоненты детонатора задержки для предотвращения их срабатывания, но достаточно высокой, чтобы вызывать действие входного импульсного сигнала, обеспечиваемого взрывной мощностью маломощного детонирующего шнура, непосредственно на пьезоэлектрический генератор без необходимости усиления. Следовательно, инициирующий заряд 120 показанного на фиг. 6А варианта можно исключить из варианта с детонирующим шнуром, как, возможно, и изоляционный колпачок 118, в котором здесь нет необходимости. В остальном другие элементы конструкции в варианте с детонирующим шнуром, их расположение и работа аналогичны элементам для варианта, показанного на фиг. 6А, и поэтому нет необходимости повторять их описание.

Хотя при применении настоящего изобретения в качестве источника электроэнергии можно использовать любой подходящий преобразователь для обеспечения электрического импульса в ответ на импульсный сигнал, на фиг. 7, 8 и 9 схематически показан пьезоэлектрический генератор, причем элементы, показанные также на фиг. 6А и 6В, обозначены идентичными позициями.

Пьезоэлектрический генератор 130 содержит столбик 150, состоящий из стопки большого количества слоев 151 тонкого пьезоэлектрического материала. Столбик 150 поддерживается на пластмассовом (синтетическом органическом полимерном материале) корпуса 153, через который проходят клеммы 168А и 168В (фиг. 8). Выходная энергия от инициирующего заряда 120 прикладывается по существу непосредственно к распределяющему нагрузку диску 170 (не показан на фиг. 6А и 6В), который, в свою очередь, равномерно передает энергию от инициирующего заряда 120 на множество слоев 151 тонкого пьезоэлектрического материала, согласно одному из вариантов осуществления столбика 150 пьезоэлектрического генератора 130. Как показано на фиг. 9, слои 151 пьезоэлектрического материала уложены в стопку вертикальными слоями, причем противоположные грани каждого слоя соединены параллельно посредством использования электродных слоев 172а и 172b, проложенных между каждым слоем или элементом 151. В одном из вариантов осуществления, в соответствующем настоящему изобретению пьезоэлектрическом генераторе используются 184 активных слоя, каждый из которых имеет толщину порядка 20 микрон, с дискретными положительными и отрицательными электродами, как отмечено на фиг. 9, образованными из внутренних соединений. Эта конструкция обеспечивает уровни выходной энергии, гораздо выше уровней, которые можно получить от других сопоставимых монолитных пьезокерамических структур.

Рассматривая совместно с фиг. 7, 8 и 9, отметим, что пластмассовый корпус 153 и распределяющий нагрузку диск 170 в соответствующей настоящему изобретению предпочтительной конструкции вносят вклад в получение максимального эффекта от выходной ударной волны инициирующего заряда 120 и сопровождающего ее физического давления. Столбик 150 пьезоэлектрического генератора 130 смонтирован на ровной, плоской и твердой поверхности 153а пластмассового корпуса 153 (фиг. 8). Поверхность 153а по существу параллельна фронту ударной волны, вырабатываемой взрывом инициирующего заряда 120, и перпендикулярна направлению движения ударной волны. Для повышения эффекта воздействия выходной ударной волны инициирующего заряда 120, распределяющий нагрузку диск 170 расположен по существу параллельно выходному концу инициирующего заряда 120 и входной грани пьезоэлектрического генератора 130 и между ними, для равномерной передачи и распределения энергии входной ударной волны инициирующего заряда 120 к пьезоэлектрическому генератору 130. Это расположение помогает также предотвратить преждевременное разрушение пьезоэлектрического генератора 130, приводящее к его отказу. Клеммы 168а и 168b электрически подсоединяют к электродным слоям 172а и 172b для установления требуемого электрического соединения с модулем установки выдержки времени 138 (фиг. 6А). Пластмассовый корпус 153 и распределяющий нагрузку диск 170 служат также для изолирования пьезоэлектрического генератора от непреднамеренных и случайных механических воздействий и любых электрических зарядов и обеспечивают поддержание пьезоэлектрического генератора в удобном положении.

Хотя изобретение подробно описано со ссылками на конкретный вариант его осуществления, очевидно, что специалисты в данной области техники могут внести различные изменения в описанный вариант, в связи с чем такие варианты считаются включенными в объем формулы изобретения.

Реферат

Изобретение относится к области создания устройств с управляемой задержкой срабатывания во времени, а также к области производства управляемых во времени взрывных работ. Технический результат - повышение надежности. Схема программируемого таймера включает в себя счетчик, который содержит множествен последовательно расположенных каскадов счетчика. Между каждой парой последовательных каскадов счетчика расположена бистабильная логическая схема для приема выходного сигнала с предшествующего каскада и выдачи входного сигнала на последующий каскад счетчика. Логическое состояние входного сигнала определяется логическим состоянием выходного сигнала предшествующего каскада и логическим состоянием сигнала каскада программирования с соответствующего каскада программирования. Логическое состояние сигнала программирования определяется состоянием плавкого предохранителя, связанного с каскадом программирования. Выбранные плавкие предохранители могут срабатывать при программировании, причем программа включает в себя приведение в действие каскадов счетчика, которые оказываются активными при требуемом отсчете и выдают сигнал программирования для срабатывания плавкого предохранителя, связанного с активным каскадом счетчика. Схема, программируемого таймера используется в детонаторе, срабатывающем с задержкой во времени относительно сигнала инициирования взрыва. 3 c. и 6 з.п. ф-лы, 11 ил.

Формула