DE2825987C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Sprengzünder nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Aus der DE-AS 11 55 037 ist eine Zündvorrichtung mit einer aufladbaren Energiequelle bekannt, die in der Lage ist, für das Zünden der Zündvorrichtung genügend Energie zu speichern und auch wieder abzugeben.

Wird bei Sprengungen mit elektrischen Sprengzün­ dern gearbeitet, so liegt der Vorteil darin, daß die Funktionsfähigkeit des Stromkreises oder der Stromkreise, in denen mehrere elektrische Spreng­ zünder als Reihenschaltung und/oder als Parallel­ schaltung angeordnet sind, noch vor dem Beginn der Sprengarbeiten überprüft werden können, daß wei­ terhin auch noch überprüft werden kann, ob die elek­ trischen Sprengzünder richtig angeschlossen sind. Unterbrechungen in dem einen oder dem anderen der Stromkreise können also leicht festgestellt werden; festgestellt werden kann aber auch, ob Isolations­ fehler vorliegen. Die bekannten elektrischen Spreng­ zünder 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 Erdströme, die beispielsweise bei Gewittern auftreten können. Eine ungewollte und zufällige Zündung ist ganz besonders bei fehlerhafter und schadhafter Isolierung möglich.

Die bisher bekannten elektrischen Sprengzünder - und das ist ein weiterer Nachteil dieser elektri­ schen Sprengzünder - sind so konstruiert, daß zum Zünden eine relativ große Energie, d. h. ein rela­ tiv starker Strom, erforderlich ist. Es ist leicht zu verstehen, daß elektrische Sprengzünder, für die nur eine geringe Stromstärke zu Zünden erfor­ derlich ist, durch Erdströme und dergleichen mehr leichter gezündet und zur Explosion gebracht wer­ den können. Zur Erhöhung des elektrischen Wider­ standes des Stromkreises oder der Stromkreise an den/die die elektrischen Sprengzünder angeschlos­ sen werden, sind diese elektrischen Sprengzünder mit Anschlußdrähten versehen, die einen hohen elek­ trischen Widerstand haben, die dabei aber auch einen großen Anteil des für die Zündung aufgeschal­ teten elektrischen Stromes verbrauchen. Diese Dräh­ te sind relativ starr und knicken leicht, wenn die elektrischen Sprengzünder an die jeweils zutreffen­ den Stromkreise angeschlossen werden. Werden derart angeschlossene elektrische Sprengzünder in Bohrungen eingesetzt, die in den Fels oder in das Gestein ge­ bohrt worden sind, dann verursachen die Knickstel­ len, 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 dar­ in zu finden, daß sie mit pyrotechnischen Zündver­ zögerungsvorrichtungen 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 Spreng­ zünder zur Explosion bringen.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen neuar­ tigen und verbesserten elektrischen Sprengzünder der zuvor beschriebenen Art zu schaffen, bei dem unter Beibehaltung der bereits mit den konventionel­ len elektrischen Sprengzündern gegebenen Vorteile die vorerwähnten Nachteile zumindest beträchtlich verringert werden.

Diese Aufgabe wird bei einem elektrischen Sprengzünder nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Diese Konstruktion bietet den Vorteil, daß das Risi­ ko einer ungewollten und zufälligen Zündung des elek­ trischen Sprengzünders durch die Einwirkung von Erd­ strömen vollkommen abgestellt werden kann. Ein Erdstrom kann dann fließen, wenn beispielsweise die Isolie­ rung der elektrischen Schaltung, mit der am Ort der Sprengung gearbeitet wird, schadhaft ist, bei schad­ hafter Isolierung der hereingeführten Stromleitungen, wenn in dem für die Einleitung der Sprengung bestimm­ ten Leitungssystem Hochfrequenzen und Induktionsströ­ me vorhanden sind. Die Hereinnahme einer aufladbaren und wieder entladbaren elektrischen Speichervorrich­ tung bedeutet, daß zur Durchführung eines Zündbefeh­ les nur Kleinspannungen erforderlich sind, daß da­ durch die Gefahr einer Funkenbildung im wesentlichen vermieden wird, daß weiterhin solche Spannungen eine Form haben können, die sich von den Strömen im Ge­ stein an der Sprengstelle ganz klar unterscheiden, desgleichen aber auch von jenen Strömen, die unge­ wollt und zufällig, die in den Leitungen der Schaltung oder den Schaltungen aufkommen können, an die mehre­ re solcher elektrischer Sprengzünder angeschlossen sind. Darüber hinaus fallen auch noch die Zündverzö­ gerungsvorrichtungen weg, die auf pyrotechnischer Basis arbeiten. Diese pyrotechnischen Zündverzögerer werden durch eine elektrische Verzögerungsschaltung ersetzt, die viel genauer ist und bei der Herstel­ lung individuell geprüft und kontrolliert werden kann.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen des Erfindungsge­ genstandes kann die elektrische Speichervorrichtung, die die elektrische Energie für die Zündung beizu­ stellen hat, als ein aufladbarer und wieder entlad­ barer Kleinakkumulator oder als ein Kondensator aus­ geführt sein. In dem Kapselgehäuse des elektrischen Sprengzünders kann eine Steuerung und Regelung ein­ gesetzt sein, die schaltungsmäßig zwischen der Spei­ chervorrichtung und den Anschlußkabeln angeordnet ist und durch einen spezifischen elektrischen Schaltbefehl derart aktiviert wird, daß sie die elektrische Spei­ chervorrichtung mit den vorerwähnten Anschlußkabeln verbindet. Das hat wiederum zur Folge, daß eine Funkenbildung in der Aufladungsschaltung oder in der Reihenschaltung von elektrischen Sprengzündern im wesentlichen vermieden wird. Ein weiterer Vorteil, den die zuletzt angeführte Konstruktion und Anordnung bietet, liegt darin, daß die Isolierung der Anschluß­ kabel 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 sichtigten Energiefluß zu den elektrischen Schaltungs­ elementen des elektrischen Sprengzünders zu vermeiden, sind diese Schaltungselemente vorzugsweise von den vorerwähnten Anschlußkabeln galvanisch getrennt. Für eine solche galvanische Trennung kann beispielsweise ein Trenntransformator eingesetzt werden.

Zweckmäßigerweise sind Vorrichtungen vorgesehen, die das Aufkommen von beträchtlichen Spannungsdifferenzen zwischen der Zündvorrichtung, die in Form eines Zünder­ kopfes ausgeführt sein kann, und dem Kapselgehäuse des elektrischen Sprengzünders verhindern sollen. Der­ artige Spannungsdifferenzen zwischen Gehäuse und Zünd­ vorrichtung können eine Funkenbildung zwischen dem Kapselgehäuse und der Zündvorrichtung zur Folge haben, die wiederum ein unbeabsichtigtes und zufälliges Zün­ den des elektrischen Sprengzünders verursachen kann. 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 Zünd­ vorrichtung und dem Kapselgehäuse eine vorgegebene Spannungsdifferenz gegeben ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele nä­ her erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen elektrischen Sprengzünder dieser Erfindung,

Fig. 2 eine ausführliche Schaltung, die im Zusam­ menhang mit dem elektrischen Sprengzünder nach Fig. 1 Verwendung finden kann.

In der Zeichnung sind gleiche und ähnliche Konstruk­ tionselemente mit gleichen Hinweiszahlen gekennzeich­ net.

Der mit Fig. 1 dargestellte Sprengzünder besteht aus der Sprengzünderkapsel 1 mit dem nur zum Teil wieder­ gegebenen Sprengsatz 2, mit der Zündvorrichtung 3, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Form eines Zündkopfes ausgeführt ist, dessen Zünd­ filament mit der allgemeinen Hinweiszahl 4 gekennzeich­ net ist.

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 dargestell­ ten Ausführungsbeispiel aus einem Kondensator, der über die zum elektrischen Sprengzünder gehörenden Anschlußdrähte 6 und 7 aufgeladen werden kann. Ein unbeabsichtigtes Entladen der aufgeladenen Energie­ quelle 5 wird durch den Regelkreis 8 verhindert. Die­ ser Regelkreis 8 wird aktiviert und angesteuert, wenn den vorerwähnten Anschlußdrähten 6, 7 ein 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 Strom­ quellen und aus den Strömen, die von Hochfrequenzen zum Fließen gebracht werden. Zum Regelkreis 8 gehören: ein Dekoder 9, eine elektrische Verzögerungsschal­ tung 10 und eine Schaltvorrichtung 11. Die Schaltvor­ richtung 11 wird vom Dekoder 9 über die elektrische Verzögerungsschaltung, beispielsweise eine RC-Schal­ tung, 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 die­ ser Konstruktion und Schaltungsanordnung die Energie­ quelle oder elektrische Speichervorrichtung 5 erst kurz vor dem Zünden aufgeladen wird. Dafür ist ein weiteres Steuerungs- und Regelungssystem 14 vorgese­ hen, das durch ein zweites elektrisches Schaltkomman­ do, welches als spezifisches Signal den Drähten 6 und 7 aufgeschaltet werden kann, aktiviert wird. Die­ ses 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 den Erdströmen, aus den Induktionsströmen und aus Strömen, die von Hochfrequenzen verursacht werden. Zu dem zusätzlichen Steuerungs- und Regelungs­ system 14 gehört eine Dekodierschaltung 15, über die eine Schaltvorrichtung 16 derart angesteuert und ak­ tiviert wird, daß sie die Energiequelle 5 mit den Anschlußdrähten 6 und 7 verbindet. Um die elektri­ schen Schaltungselemente des elektrischen Sprengzün­ ders gegen Überspannungen in den Anschlußdrähten 6 und 7 zu schützen und um ein ungewolltes und zufälli­ ges Zünden der Zündvorrichtung 3 zu verhindern, sind die elektrischen Schaltungselemente des elektri­ schen Sprengzünders gegen die Anschlußdrähte 6 und 7 galvanisch getrennt, und zwar durch einen Trenn­ transformator 17, der beim dargestellten Ausführungs­ beispiel zwischen die Anschlußdrähte 6, 7 und die Steuerungs- und Regelungssysteme 8 und 14 geschaltet ist.

Um die Zündvorrichtung weiterhin auch noch vor einem Zünden durch die Spannungsdifferenz zwischen dieser Zündvorrichtung und dem Kapselgehäuse 1 zu schützen, ist zwischen die Anschlußleitung 13 und das Kapsel­ gehäuse 1 eine Spannungsbegrenzerschaltung 18 ge­ schaltet. Diese Spannungsbegrenzerschaltung kann aus einer Zenerdiode oder aus einem Varistor beste­ hen, die/der dann in den Durchlaßzustand geschaltet wird, wenn die Spannungsdifferenz zwischen der Zünd­ vorrichtung und dem Kapselgehäuse 1 einen vorgegebe­ nen Wert erreicht hat.

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 Transforma­ tor 17 mit einem Brückengleichrichter 22 in Verbin­ dung. Darüber hinaus ist die Sekundärwicklung des Transformators 17 ebenfalls über einen Mittelanschluß 23 in der dargestellten Weise auf die Gleichrichter­ brücke 22 geführt, und zwar über einen Kondensator 24 und über eine Relaiswicklung 25, die über den Kon­ densator 26 dieses Relais mit Erde verbunden werden kann. 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 Re­ laiskontaktes 26 verursacht. Das aber bedeutet die Induktivität des Transformators 17, das Relais und der Kondensator 24 bilden das mit Fig. 1 dargestell­ te und beschriebene Steuerungs- und Regelungssystem 14.

Die für das Betreiben der Elektronikbauteile der Schaltung notwendige Spannung wird von dem Brücken­ gleichrichter 22 aus über den Widerstand 27 sowie über die Leitungen 28 und 29 aufgeschaltet. Diese Spannung wird von der Zenerdiode 30 stabilisiert. Vom Brückengleichrichter 22 aus wird über den Wider­ stand 27 auch die Energiequelle 5 - diese besteht aus einem Kondensator, der schaltungsmäßig zwischen der Leitung 28 und Erde angeordnet ist - mit genügen­ der 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 Verzö­ gerungsschaltung 10 angesteuert und geschaltet wird, mit Erde verbunden ist.

Der Dekoder 9 ist als phasenverriegelte Schaltung, d. h. als PLL-Schaltung ausgeführt, die bei dem dar­ gestellten Ausführungsbeispiel eine Ausführung ist, welche von der Signetics International Company, Lon­ don (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 an ihrem Ausgang ein "NULL"-Signal erschei­ nen läßt, wird durch die jeweils gewählte Abmessung und Auslegung des Widerstandes 32 und des Kondensa­ tors 33 bestimmt. Die PLL-Schaltung schaltet dann auf das NULL-Signal am Ausgang um, wenn die Fre­ quenz der dem Transformator 17 aufgeschalteten Span­ nung mit der durch den Widerstand 32 und durch den Kondensator 33 vorgegebenen Frequenz übereinstimmt. Der Ausgang 31 der PLL-Schaltung ist auf ein NOR- Gatter 34 geführt. Um zu verhindern, daß der Ausgang des NOR-Gatters 34 sofort nach der Spannungsaufschal­ tung 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 einem Wi­ derstand 36 und aus dem Kondensator 37 - her über die Leitung 35 zugeführt wird.

Der Kondensator 5 ist von seiner Auslegung her der­ art bemessen, daß er die elektrische Energie aufneh­ men und wieder abgeben kann, die für das Zünden des Zündkopfes und für das Betreiben der Elektronikbau­ teile bis zur Zündung erforderlich ist. Zum Aufladen des Kondensators 5 wird ein Zündbefehl bestimmter Frequenz über die Anschlußdrähte 6 und 7 aufgeschal­ tet. 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 wie­ derum zur Folge hat, daß das NOR-Gatter 34 auf den Schaltzustand "EINS" umschaltet. Das Ausgangssignal des NOR-Gatters 34 wird auf dem Trigger-Eingang der Ver­ zögerungsschaltung 10 aufgeschaltet, die in der mit Fig. 2 dargestellten Ausführung eine Präzisionszeit­ schaltung 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 ange­ schlossen worden. Das Zeitglied dieser Zeitschaltung besteht aus dem Widerstand 39 und aus dem Kondensa­ tor 40. Das Signal am Ausgang 41 der Zeitschaltung 10 wird dann gleich "EINS", wenn der Eingang 38 ein Signal aufgeschaltet erhält. Nach Ablaufen der Ver­ zögerungszeit erfolgt eine Signalumschaltung, so daß dann am Ausgang 41 das 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 Ausgangssig­ nal 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 auf­ geschaltet. Der Zündbefehl, d. h. das Ausgangssignal des NOR-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.

Der Widerstand ist so ausgelegt, daß eine unbeabsich­ tigte und zufällige Ansteuerung oder Einschaltung des Thyristors 11 verhindert wird, und die beiden Zenerdioden die antiparallel zwischen die Leitung 28 und das Kapselgehäuse 1 geschaltet sind, verhin­ dern, daß zwischen dem Filament 4 und dem Kapselge­ häuse 1 eine übermäßig große Spannungsdifferenz auf­ kommen kann.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene und in Zeichnung dargestelle Ausführungsbeispiel beschränkt, sie kann innerhalb des in den Patentansprüchen gege­ benen Rahmens variiert werden. So können die Schal­ tungselemente beispielsweise zu einer integrierten Schaltung oder zu mehreren integrierten Schaltungen zusammengefaßt werden, und nicht, wie dies der Dar­ stellung halber geschehen ist, einzeln in dem elek­ trischen Sprengzünder angeordnet werden.

Claims (5)

1. Elektrischer Sprengzünder bestehend aus einem Kapselgehäuse und in diesem Kapselgehäuse an­ geordnet: ein explosiver Sprengsatz; eine auf­ ladbare und entladbare Energiequelle, die in der Lage ist, für das Zünden einer Zündvorrich­ tung genügend Energie zu speichern und auch wie­ der abzugeben; ein elektrisches Steuerungs- und Regelungssystem mit einer ansteuerbaren Schalt­ vorrichtung, die elektrisch zwischen die Ener­ giequelle und die Zündvorrichtung geschaltet ist; eine elektrische Verzögerungsschaltung; schließlich auch noch ein Dekoder; dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequelle über die aus dem Kapsel­ gehäuse herausgeführten Anschlußdrähte zum Auf­ laden der Energiequelle an einen Stromanschluß angeschlossen werden kann; daß schließlich der Dekoder elektrisch auf die Anschlußdrähte ge­ schaltet werden kann und derart ausgelegt ist, daß er nach Aufschaltung eines spezifischen Zündbefehlsignales, das über die Anschlußdrähte aufgeschaltet wird, die Zeitschaltung derart ansteuert, daß diese nach einer bestimmten und vorgegebenen Schaltverzögerung ein Schließen der Schaltvorrichtung herbeiführt.

2. Elektrischer Sprengzünder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequelle als ein aufladbarer und entladbarer Akkumulator oder als Kondensator ausgeführt ist.

3. Elektrischer Sprengzünder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kapselgehäuse ein schaltungsmäßig zwischen der Energiequelle und den Anschluß­ drähten angeordnetes Steuerungs- und Regelungs­ system enthalten ist, das von einem über die Anschlußdrähte aufgeschalteten spezifischen elektrischen Befehlsignal derart aktiviert werden kann, daß es die Energiequelle mit die­ sen Anschlußdrähten verbindet.

4. Elektrischer Sprengzünder nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Schaltungselemente des elektrischen Sprengzünders von den vorerwähn­ ten Anschlußdrähten galvanisch getrennt sind.

5. Elektrischer Sprengzünder nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung vorhanden ist, die das Zustandekommen großer Spannungsdifferenzen zwi­ schen der Zündvorrichtung und dem Kapselgehäu­ se verhindert.