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Elektrischer Sprengzünder
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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Sprengzünder, bei dem die
explosive Zündladung, eine Zündverzögerungsvorrichtung, eine für das Zünden der
Zündladung bestimmte Zündvorrichtung sowie die Anschlußkabel, über die der vorerwähnten
Zündvorrichtung die elektrische Energie zugeführt wird, in einem Zündkapselgehäuse
untergebracht sind.
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Wird bei Sprengungen mit elektrischen Sprengzündern gearbeitet, so
liegt ein Vorteil darin, daß die Funktionsfähigkeit des Stromkreises oder der Stromkreise,
in denen mehrere elektrische Sprengzünder als Reihenschaltung und/oder als Parallelschaltung
angeordnet sind, noch vor dem Beginn der Sprengarbeiten überprüft werden können,
daß weiterhin auch noch überprüft werden kann, ob die elektrischen Sprengzünder
richtig angeschlossen sind.
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Unterbrechungen in dem einen oder dem anderen der Stromkreise können
also leicht festgestellt werden; festgestellt werden kann aber auch, ob Isolationsfehler
vorliegen. Die bekannten elektrischen Sprengzünder weisen jedoch den schwerwiegenden
Nachteil auf, daß sie zur zufälligen und ungewollten Zündung neigen,und zwar verursacht
durch Störungen, die durch die Induktionsströme in der Zündschaltung hervorgerufen
werden,durch Rundfunkwellen, durch statische Elektrizität und durch Erströme, die
beispielsweise bei Gewittern auftreten können. Eine ungewollte und zufällige Zündung
ist ganz besonders bei fehlerhafter und schadhafter Isolierung möglich.
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Die bisher bekannten elektrischen Sprengzünder -und das ist ein weiterer
Nachteil dieser elektrischen Sprengzünder - sind so konstruiert, daß zum Zünden
eine relativ große Energie, d.h. ein relativ starker Strom, erforderlich ist. Es
ist leicht zu verstehen, daß elektrische Sprengzünder, für die nur eine geringe
Stromstärke zu Zünden erforderlich ist, durch Erdströme und dergleichen mehr leichter
gezündet und zur Explosion gebracht werden können. Zur Erhöhung des elektrischen
Widerstandes des Stromkreises oder der Stromkreise an den/die die elektrischen Sprengzünder
angeschlossen werden, sind diese elektrischen Sprengzünder mit Anschlußdrähten versehen,
die einen hohen elektrischen Widerstand haben, die dabei aber auch einen großen
Anteil des für die Zündung aufgeschalteten elektrischen Stromes verbrauchen. Diese
Drähte sind relativ starr und knicken leicht, wenn die elektrischen Sprengzünder
an die jeweils zutreffenden Stromkreise angeschlossen werden. Werden derart angeschlossene
elektrische Sprenzünder in Bohrungen eingesetzt, die in den Fels oder in das Gestein
gebohrt worden sind, dann verursachen die Knickstellen, daß sich die Drähte an der
Gesteinswandung des Bohrloches reiben, wobei dann die Isolierung der Drähte beschädigt
wird. Als Folge davon kommt es zu Funkenüberschlägen während des Zündvorganges,
wird dann eine ungewollte Zündung verursacht, wenn bei Berührung von Gestein und
Drähten Erdströme dort auf den Blanken Draht einwirken, wo keine Isolierung
vorhanden
ist. Ein wiederum anderer Nachteil der konventionellen elektrischen Sprengzünder
ist darin zu finden, daß sie mit pyrotechnischen Zündverzögerungevorrichtungen arbeiten,
welche nicht so genau sind, welche sich mit der Zeit verändern und welche nicht
individuell überprüft und kontrolliert werden können. Zündverzögerungsvorrichtungen,
die auf pyrotechnischer Basis arbeiten, können bereits während der Herstellung einen
elektrischen Sprengzünder zur Explosion bringen.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen neuartigen und verbesserten
elektrischen Sprengzünder der zuvor beschriebenen Art zu schaffen, bei dem unter
Beibehaltung der bereits mit den konventionellen elektrischen Sprengzündern gegebenen
Vorteile die vorerwähnten Nachteile zumindest beträchtlich verringert werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung einen elektrischen Sprengzünder
vor, dessen Sprengkapselgehäuse einen explosiven Sprengsatz aufnimmt, desgleichen
aber auch noch eine elektrisch ansteuerbare Zündvorrichtung, die diesen Sprengsatz
zur Explosion zu bringen hat; eine aufladbare und auch wieder entladbare elektrische
Speichervorrichtung, die in Ansteuerung der elektrischen Zündvorrichtung elektrische
Energie speichert und auch wieder abgibt; eine elektrische Schaltung mit einer ansteuerbaren
Schaltvorrichtung, welche schaltungsmäßig zwischen der elekttischen Speichervorrichtung
und der Zündvorrichtung angeordnet ist; eine elektrische Verzö-
gerungsschaltung
und einen Dekoder. Die elektrische Speichervorrichtung, die mit den Anschlußkabeln
nach außen geführt ist, kann zum Aufladen an eine Stromquelle angeschlossen werden.
Der Dekoder, der auch an diese Anschlußkabel angeschlossen ist, ist derart konstruiert
und ausgelegt, daß er nach dem Aufschalten eines bestimmten elektrischen Zündsignales
- dieses wird über die Anschlußkabel aufgeschaltet - die Verzögerungsschaltung in
Betrieb nimmt, die dann nach einer gewissen Verzögerungszeit oder Laufzeit ein Schließen
der Schaltvorrichtung verursacht.
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Diese Konstruktion bietet den Vorteil, daß das Risiko einer ungewollten
und zufälligen Zündung des elektrischen Sprengzünders durch die Einwirkung von Erdströmen
vollkommen abgestellt wird. Ein Erdstrom kann dann fließen, wenn beispielsweise
die Isolierung der elektrischen Schaltung, mit der am Ort der Sprengung gearbeitet
wird, schadhaft ist, bei schadhafter Isolierung der hereingeführten Stromleitungen,
wenn in dem für die Einleitung der Sprengung bestimmten Leitungssystem Hochfrequenzen
und Induktionsströme vorhanden sind. Die Hereinnahme einer aufladbaren und wieder
entladbaren elektrisMen Speichervorrichrung bedeutet, daß zur Durchführung eines
Zündbefehles nur Kleinspannungen erforderlich sind, daß dadurch die Gefahr einer
FunKenbildung im wesentlichen vermieden wird, daß weiterhin solche Spannungen eine
Form haben können, die sich von den Strömen im Gestein an der Sprengstelle ganz
klar unterscheiden, desgleichen aber auch von jenen Strömen, die ungewollt und zufällig,
die in den Leitungen der Schaltung
oder den Schaltungen aufkommen
können, an die mehrere solcher elektrischer Sprengzünder angeschlossen sind. Darüber
hinaus fallen auch noch die Zündverzögerungsvorrichtungen weg, die auf pyrotechnischer
Basis arbeiten. Diese pyrotechnischen Zündverzögerer werden durch eine elektrische
Verzögerungsschaltung ersetzt, die viel genauer ist und bei der Herstellung individuell
geprüft und kontrolliert werden kann.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen des Erfindungsgegenstandes kann
die elektrische Speichervorrichtung, die die elektrische Energie für die Zündung
beizustellen hat, als ein aufladbarer und wieder entladbarer Kleinakkumulator oder
als ein Kondensator ausgeführt sein. In dem Kapsel gehäuse des elektrischen Sprengzünders
kann eine Steuerung und Regelung eingesetzt sein, die schaltungsmäßig zwischen der
Speichervorrichtung und den Anschlußkabeln angeordnet ist und durch einen spezifischen
elektrischen Schaltbefehl derart aktiviert wird, daß sie die elektrische Speichervorrichtung
mit den vorerwähnten Anschlußkabeln verbindet. Das hat wiederum zur Folge, daß eine
Funkenbildung in der Aufladungsschaltung oder in der Reihenschaltung von elektrsEchen
Sprengzündern im wesentlichen vermieden wird. Ein weiterer Vorteil, den die zuletzt
angeführte Konstruktion und Anordnung bietet, liegt darin, daß die Isolierung der
Anschlußkabel und der richtige Anschluß der elektrischen Sprengzünder überprüft
werden können, und zwar, noch bevor elektrische Energie in der elektrischen Speichervorrichtung
gespeichert wird. Um einen unbeab-
sichtigte Energiefluß zu den
elektrischen Schaltungselementen des elektrischen Sprengzünders zu vermeiden, sind
diese Schaltungselemente vorzugsweise von den vorerwähnten Anschlußkabelen galvanisch
getrennt. Für eine solche galvanische Trennung kann beispielsweise ein Trenntransformator
eingesetzt werden.
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Zweckmäßigerweise sind Vorrichtungen vorgesehen, die das Aufkommen
von beträchtlichen Spannungsdifferenzen zwischen der Zündvorrichtung, die in Form
eines Zünderkopfes ausgeführt sein kann, und dem Kapselgehäuse des elektrischen
Sprengzünders verhindern sollen. Derartige Spannungsdifferenzen zwischen Gehäuse
und Zündvorrichtung können eine Funkenbildung zwischen dem Kapsel gehäuse und der
Zündvorrichtung zur Folge haben, die wiederum ein unbeabsichtigtes und zufälliges
Zünden de elektrischen Sprengzünders verursachen kann.
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Diese Vorrichtungen können aus einer Zenerdiode oder aus mehreren
Zenerdioden bestehen, die zwischen das Zündkapselgehäuse und die Zündvorrichtung
geschaltet sind und dann leitend werden, wenn zwischen der Zündvorrichtung und dem
Kapsel gehäuse eine vorgegebene Spannungsdifferenz gegeben ist.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:-Fig. 1 Einen Längsschnitt
durch einen elektrischen Sprengzünder dieser Erfindung.
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Fig. 2 Eine ausführliche Schaltung, die im Zusammenhang mit dem elektrischen
Sprengzünder nach Fig. 1 Verwendung finden kann.
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In der Zeichnung sind gleiche und ähnliche Konstruktionselemente mit
gleichen Hinweiszahlen gekennzeichnet.
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Der mit Fig. 1 dargestellte Sprengzünder besteht aus der Sprengzünderkapsel
1 mit dem nur zum Teil wiedergegebenen Sprengsatz 2, mit der Zündvorrichtung 3,
die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Form eines Zündkopfes ausgeführt
ist, dessen Zündfilament mit der allgemeinen Hinweiszahl 4 gekennzeichnet ist.
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In den elektrischen Sprengzünder eingebaut ist eine aufladbare und
auch wieder entladbare Energiequelle 5, die so viel Energie aufnehmen und speichern
kann, wie zur Durchführung des Zündvorganges erforderlich ist. Diese Energiequelle
5 besteht in dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Kondensator, der über
die zum elektrischen Sprengzünder gehörenden Anschlußdrähte 6 und 7 aufgeladen werden
kann.Ein unbeabsichtigtes Entladen der aufgeladenen Energiequelle 5 wird durch den
Regelkreis 8 verhindert.Dieser Regelkreis 8 wird aktiviert und angesteuert, wenn
den vorerwähnten Anschlußdrähten 6, 7 ei n elektrischer Zündbefehl bestimmter Art
aufgeschaltet wird.Dieser Zündbefehl wird so gewählt, daß eine Ähnlichkeit zwischen
ihm und den elektrischen Signalen aus den Strömen vermieden wird, beispielsweise
aus den Erd-Strömen, aus den Induktionsströmen oder aus den Strömen anderer im Sprengbereich
vorhandener Stromquellen und aus den Strömen,die von Hochfrequenzen zum Fließen
gebracht werden. Zum Regelkreis 8 gehören:-
ein Dekoder 9, eine
elektrische Verzögerungsschaltung 10 und eine Schaltvorrichtung 11. Die Schaltvorrichtung
11 wird vom Dekoder 9 über die elektrische Verzögerungsschaltung, beispielsweise
eine RC-Schaltung, derart angesteuert und beeinflußt, daß er die Energiequelle 5
mit den Anschlußdrähten 12 und 13 des Zündfilamentes 4 verbindet. Eine erhöhte Sicherheit
und Zuverlässigkeit gegen ungewolltes und zufälliges Zünden ist dadurch gegeben,
daß bei dieser Konstruktion und Schaltungsanordnung die Energiequelle oder elektrische
Speichervorrichtung 5 erst kurz vor dem Zünden aufgeladen wird. Dafür ist ein weiteres
Steuerungs- und Regelungssystem 14 vorgesehen, das durch ein zweites elektrisches
Schaltkommando, welches als spezifisches Signal den Drähten 6 und 7 aufgeschaltet
werden kann, aktiviert wird.Dieses Signal ist ganz anders als der Zündbefehl, der
dem Dekoder 9 aufgeschaltet wird. Es ist ebenfalls ganz anders als die vorerwähnten
Ströme aus anderen Stromquellen, welche am Ort der Sprengung vorhanden sind, aus
der, Erdströmen, aus den Induktionsströmen und aus Strömen, die von Hochfrequenzen
verursacht werden. Zu dem zusätzlichen Steuerungs-und Regelungssystem 14 gehort
eine Dekodierschaltung 15, über die eine Schaltvorrichtung 16 derart angesteuert
und aktiviert wird, daß sie die Energiequelle 5 mit den Anschlußdrähten U und 7
verbindet. Um die elektrischen SchaltunaseZemente des elektrischen Sprengzünders
gegen berspannunge in den Anschlußdrähten 6 una 7 zu schutzes und um ein ungewolltes
und zufälliges Zen der Zündvorrichtung 3 zu verhindern, sind
die
elektrischen Schaltungselemente des elektrischen Sprengzünders gegen die Anschlußdrähte
6 und 7 galvanisch getrennt, und zwar durch einen Trenntransformator 17, der beim
dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen die Anschlußdrähte 6,7 und die Steuerungs-und
Regelungssysteme 8 und 14 geschaltet ist.
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Um die Zündvorrichtung weiterhin auch noch vor einem Zünden durch
die Spannungsdifferenz zwischen dieser Zündvorrichtung und dem Kapsel gehäuse 1
zu schützen, ist zwischen die Anschlußleitung 13 und das Kapselgehäuse 1 eine Spannungsbegrenzerschaltung
18 geschaltet. Diese Spannungsbegrenzerschaltung kann aus einer Zenerdiode oder
aus einem Varistor bestehen, die/der dann in den Durchlaßzustand geschaltet wird,
wenn die Spannungsdifferenz zwischen der Zündvorrichtung und dem Kapsel gehäuse
1 einen vorgegebenen Wert erreicht hat.
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Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, sind die Anschlüsse 20 und 21 der
Primärwicklung des Transformators 17 auf die (mit Fig. 1) dargestellten Anschlußdrähte
6 und 7 geführt.Sekundärseitig steht der Transformator 17 mit einem Brückengleichrichter
22 in Verbindung. Darüber hinaus ist die Sekundärwicklung des Transformators 17
ebenfalls über einen Mittelanschluß 23 in der dargestellten Weise auf die Gleichrichterbrücke
22 geführt, und zwar über einen Kondensator 24 und über eine Relaiswicklung 25,
die über den Kontakt 26 dieses Relais mit Erde verbunden werden kann.
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Verursacht die Frequenz eines Wechselstromes eine
Resonanz
in der Induktivität des Transformators 17 und der des Kondensators 24, dann fließt
ein Strom in der Relaiswicklung 25, der das Schließen des Relaiskontaktes 26 verursacht.
Das aber bedeutet die Induktivität des Transformators 17, das Relais und der Kondensator
24 bilden das mit Fig. 1 dargestellte und beschriebene Steuerungs-und Regelungssystem
14.
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Die für das Betreiben der Elektronikbauteile der Schaltung notwendige
Spannung wird von dem Brückengleichrichter 22 aus über den Widerstand 27 sowie über
die Leitungen 28 und 29 aufgeschaltet. Diese Spannung wird von der Zenerdiode 30
stabilisiert.
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Vom Brückengleichrichter 22 aus wird über den Widerstand 27 auch die
Energiequelle 5 - diese besteht aus einem Kondensator, der schaltungsmäßig zwischen
der Leitung 28 und Erde angeordnet ist - mit genügender elektrischer Energie aufgeladen.
Einer der zur Zündvorrichtung 3 gehörenden Anschlüsse ist auf die Leitung 28 geführt,
während der andere Anschluß dieser Zündvorrichtung über eine Schaltvorrichtung 11
, diese Schaltvorrichtung 11 besteht aus einem Thyristor, der von dem Dekoder 9
und von der Verzögerungsschaltung 10 angesteuert und geschaltet wird, mit Erde verbunden
ist.
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Der Dekoder 9 ist als phasenverriegelte Schaltung, d.h. als PLL-Schaltung
ausgeführt, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Ausführung ist, welche
von der Signetics International Company, London (England) unter der Bezeichnung
NE 567 verkauft
und gehandelt wird. Dieser Schaltungsbaustein ist
in der vom Hersteller empfohlenen Weise montiert und angeschlossen worden. Die Frequenz
bei der die PLL-Schaltung 9 ihren Schaltzustand verändert und und an ihrem Ausgang
ein "NULL"-Signal erscheinen läßt, wird durch die jeweils gewählte Abmessung und
Auslegung des Widerstandes 32 und des Kondensators 33 bestimmt. Die PLL-Schaltung
schaltet dann auf das NULL-Signal am Ausgang um, wenn die Frequenz der dem Transformator
17 aufgeschalteten Spannung mit der durch den Widerstand 32 und durch den Kondensator
33 vorgegebenen Frequenz übereinstimmt.
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Der Ausgang 31 der PLL-Schaltung 9 ist auf ein NOR-Gatter 34 geführt.
Um zu verhindern, daß der Ausgang des NOR-Gatters 34 sofort nach der Spannungsaufschaltung
nach "EINS" umschaltet, wird das Ausgangssignal der PLL-Schaltung 9 dem NOR-Gatter
34 zusammen mit einem Signal aufgeschaltet, das dem NOR-Gatter 34 von einer RC-Kombination
- diese besteht aus dem Widerstand 36 und aus dem Kondensator 37 - her über die
Leitung 35 zugeführt wird.
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Der Kondensator 5 ist von seiner Auslegung her derart bemessen, daß
er die elektrische Energie aufnehmen und wieder abgeben kann, die für das Zünden
des Zündkopfes und für das Betreiben der Elektronikbauteile bis zur Zündung erforderlich
ist. Zum Aufladen des Kondensators 5 wird ein Zündbefehl bestimmter Frequenz über
die Anschlußdrähte 6 und 7 aufgeschaltet. Dieser Zündbefehl wird in der PLL-Schaltung
9 dekodiert. Bei Aufschaltung des richtigen Zündbefehles
auf die
PLL-Schaltung 9 schaltet diese PLL-Schaltung in den Schaltzustand um, in dem am
Ausgang 31 dieser Schaltung das Ausgangssignal "NULL" ansteht, was wiederum zur
Folge hat, daß das NOR-Gatter 34 auf den Schaltzustand "EINS" umschaltet.Das Ausgangssignal
des NOR-Gatters 34 wird dem Trigger-Eingang der Verzögerungsschaltung 10 aufgeschaltet,
die in der mit Fig. 2 dargestellten Ausführung eine Präzisionszeitschaltung ist,
welche von der National Semiconductor Corp., USA, unter der Bezeichnung LM 2905
verkauft und gehandelt wird. Diese Schaltung ist entsprechend den Anweisungen des
Herstellers montiert und angeschlossen worden.Das Zeitglied dieser Zeitschaltung
besteht aus dem Widerstand 39 und aus dem Kondensator 40. Das Signal am Ausgang
41 der Zeitschaltung 10 wird dann gleich "EINS", wenn der Eingang 38 ein Signal
aufgeschaltet erhält. Nach Ablaufen der Verzögerungszeit erfolgt eine Signal umschaltung,
so daß dann am Ausgang 41 des Signal "NULL" ansteht. Dieses Ausgangssignal wird
im NOR-Gatter 42 invertiert. Um zu verhindern, daß der Ausgang des NOR-Gatters 42
sofort nach dem Aufschalten der Spannung auf die Schaltung in den Signalzustand
"EINS" umschaltet, wird gleichzeitig und zusammen mit dem Ausgangssignal der Zeitschaltung
10 dem NOR-Gatter 42 über die Leitung 43 auch noch ein Signal einer aus den NOR-Gattern
44 und 45 bestehenden Flipflop-Schaltung aufgeschaltet. Der Zündbefehl, d.h. das
Ausgangssignal des N3R-Gatters 42 wird über die Leitung 46 und über den Strombegrenzungswiderstand
47 auf das Steuergat des Thyristors 11 geführt, der dadurch in den Durch-
laßzustand
oder Leitzustand geschaltet wird und dann den Kondensator 5 über das Filament 4
des Zündkopfes entlädt.
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Der Widerstand ist so ausgelegt, daß eine unbeabsichtigte und Zufällige
Ansteuerung oder Einschaltung des Thyristors 11 verhindert wird, und die beiden
Zenerdioden die antiparallel zwischen die Leitung 28 und das Kapsel gehäuse 1 geschaltet
sind, verhindern, daß zwischen dem Filament 4 und dem Kapselgehäuse 1 eine übermäßig
große Spannungsdifferenz aufkommen kann.
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Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene und in Zeichnung dargestellte
Ausführungsbeispiel beschränkt, sie kann innerhalb des in den Patentansprüchen gegebenen
Rahmens variiert werden. So können die Schaltungselemente beispielsweise zu einer
integrierten Schaltung oder zu mehreren integrierten Schaltungen zusammengefaßt
werden, und nicht, wie dies der Darstellung halber geschehen ist, einzeln in dem
elektrischen Sprengzünder angeordnet werden.