DE3116769A1

DE3116769A1 - Elektronische sprengkapsel

Info

Publication number: DE3116769A1
Application number: DE19813116769
Authority: DE
Inventors: Gerald Lester 17960 New Ringgold Pa. Oswald
Original assignee: Atlas Powder Co
Current assignee: Atlas Powder Co
Priority date: 1980-05-05
Filing date: 1981-04-28
Publication date: 1982-05-06
Also published as: MX149398A; SE8102718L; ZA812688B; CA1152377A; AU7013781A; GB2075156A; US4311096A; JPS5735298A; GB2075156B; BR8102742A

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Sprengkapsel, insbesondere eine Sprengkapsel mit elektronischer Schaltung zum Zün- ^ den der Sprengkapsel nach einer vorgegebenen Verzögerung .

Beim Sprengen wird grundsätzlich die freiwerdende Energie zum Aufbrechen und Bewegen von Erz und Felsgestein herangezogen. Dabei ist es jedoch immer wichtiger geworden, die Wirkung der Sprengung auf in der Nähe befindliche Bauten möglichst klein zu halten und außerdem die dabei entstehenden Erdbodenschwingungen unter Kontrolle zu haben. Bei einer Mehrlochsprengung zündet man daher nicht alle Sprengkörper gleichzeitig, sondern zweckmäßigerweise mit einer Verzögerung von mindestens 8 Millisekunden, um Erdbodenschwingungen zu steuern. Durch verzögertes Zünden erreicht man eine Trennung des Gesamtgewichts der Sprengladung in einzelne kleinere Sprengla-

düngen, die nacheinander einzeln zünden. Das verzögerte Zünden erfordert normalerweise elektrische oder nichtelektrische Verzögerungs-Sprengkappen, Zündleitungs-Verzögerungsanschlüsse oder sequentielle Zündvorrichtungen.

Die bislang bekannten elektrischen und nicht-elek-

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trischen Verzogerungssprengkappen weisen interne Verzögerungselemente auf, die auf dem Prinzip der genau bemessenen Abbrennung von pyrotechnischen Mischungen basieren, welche in Metallrohren komprimiert sind. Die Verzögerungszeit wird durch Zündung und Abbrennung dieser pyrotechnischen Mischungen erreicht.

Ein Nachteil der pyrotechnischen Verzögerungs-Sprengkapseln liegt darin, daß die Verzögerungszeiten selbst bei sorgfältigster Herstellung auf Grund der inhärenten Eigenschaften des Verbrennungsprozesses zeitlich streuen. Der genaue Zündzeitpunkt der Sprengkapsel läßt sich daher nicht sehr genau steuern. Auf Grund dieser Zeitstreuung kann es vorkommen, daß zwei pyrotechnische Verzögerungs-Sprengkapseln mit benachbarten Verzögerungsperioden zeitlich so nahe zueinander explodieren, daß sich ein unerwünschter Erdschwingungspegel einstellt, da mehr als das vorgesehene optimale Sprengkörpergewicht zur Zeit explodiert.

Die sequentiellen Zündvorrichtungen liefern zwar zeitlich gesteuerte elektrische Impulse an elektrische Sprengkapseln. Diese Zeitimpulse werden in einer elektronischen Schaltung erzeugt, so daß sie sehr genau sind. Während des Sprengens müssen jedoch die zu der

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Zündvorrichtung führenden Schaltungsdrähte ebenso wie die elektrischen Sprengkapseln solange intakt gehalten werden, bis die Sprengkapseln die Zündimpulse von der Zündvorrichtung erhalten.

Man hat daher einen sequentiellen oder Stufenschalter

in Verbindung mit pyrotechnischen Verzögerungs-Sprengkapseln mit elektrischer Zündung in Bohrlöchern eingebracht, um ein zu frühes Zerstören oder Kurzschließen -^q der Schaltungsdrähte zu minimieren. Die Schwierigkeiten der Steuerung von Erdbodenschwingungen besteht aber hierbei ebenso wie bei den pyrotechnischen Verzögerungs-Sprengkapsein.

^5 Wenn die sequentielle Zündung nicht so ausgelegt ist, daß alle Kapseln vor dem Explodieren des ersten Loches gezündet haben, dann bestehen erhöhte Gefahren, daß die Schaltungsdrähte zerstört oder kurzgeschlossen werden. Bei manchen sequentiellen Sprengladungsverteilungen dür- ^^en jedoch nicht alle Kapseln vor dem Beginn der Bohrlochsprengung gezündet werden.

Es gibt bereits sequentielle Zündvorrichtungen, die Verzögerungen von lediglich 8 Millisekunden zwischen zwei Explosionen erzeugen. Die normale Streuung der pyrotech-

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nischen Verzögerungen führt jedoch dazu, daß Sprengungen in Abständen von weniger als 8 Millisekunden auftreten können, was die Wahrscheinlichkeit einer nichtsequentiellen Explosion erhöht. Dies führt natürlich wieder zu erhöhten Erdbodenschwingungen, wobei als weiterer Nachteil eine schlechte Gesteinszertrümmerung auftreten kann. Da die pyrotechnische Verzögerungs-Sprengkapseln in Verbindung mit sequentiellen Zündvorrichtungen verwendet werden müssen, treten die gleichen Schwierigkeiten bezüglich der Schwingungssteuerung und der Gesteinszertrümmerung wie bei den zuvorgenannten elektrischen Verzögerungs-Sprengkapseln auf.

Wie bereits erwähnt, betrifft das übliche Verzögerungs- -15 sprengen die Zündung einzelner, explosiver Säulen in vorgegebenen Zeitabständen. Zeitlich später zu sprengende Bohrlöcher unterliegen dabei den Stoßwellen und Gasdrücken, die von der Explosion in benachbarten Bohrlöchern stammen. Es müssen daher Sprengkapseln verwendet werden, die diesen Drücken standhalten und die nach den gewünschten Verzögerungsintervallen noch zuverlässig funktionieren.

Zu einer elektrischen Zündanlage gehören die Zündvorrichtung, die Feuerleitung, Verbindungsdrähte sowie

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elektrische Sprengkapseln.

Elektrische Sprengkapseln werden überlicherweise von Zündvorrichtungen mit Kondensatorentladung gezündet. Diese Spannungsquelle weist einen Speicherkondensator auf, der auf eine Hochspannung von beispielsweise 450 Volt Gleichstrom aufgeladen wird. Durch Betätigung eines Zündschalters wird die Spannung über eine Zündleitung und über Verbindungsdrähte an die Sprengkapseln ^₀ gelegt. Zur Verringerung von Energieverlusten verwendet man schwere Kupferleitungen als Zünd- und Verbindungsleitungen, die einen geringen Widerstand haben.

Die Zündkreise werden seriell, parallel oder als Serien- ^c Parallel-Kombination ausgelegt, um eine möglichst wirtschaftliche Verwertung der zur Verfügung stehenden elektrischen Energie zu erzielen.

Um sicherzustellen, daß die Zündenergie richtig ver-2Q teilt wird, ist Sprengpersonal notwendig, das den Aufbau der Sprengkreise auf dem Wege von Energiekalkulation optimiert, was häufig schwierig und komplex ist. Außerdem ist der Widerstandsabgleich von parallelen Zweigen für eine optimale Energieverteilung erforderlieh. Wird die zur Verfügung stehende Energie nicht

richtig verteilt und zündet eine Sprengkapsel auf Grund von unzureichender Stromversorgung nicht, dann bleibt unexplodierter Sprengstoff in dem Sprengstoffpaket, was eine sehr gefährliche Situation bedeutet.

Qualifizierte Sprengmeister sind häufig nur sehr schwer

erhältlich, wobei derartiges Personal auch häufig nicht die Stelle wechselt. Das häufige Anlernen von neuen Sprengfachleuten ist jedoch trotz seiner großen Bedeu- ^₀ tung sehr zeit- und kostenaufwendig. Eine Vereinfachung der elektrischen Zündung würde daher sowohl vom Ausbildungs- als auch vom Sicherheitsstandpunkt äußerst zweckmäßig sein.

^₅ Die hohe Spannung einer üblichen Zündvorrichtung gefährdet einerseits die, Sprengmannschaft durch Spannungsstöße oder durch Leckströme, wenn die Kabelisolierung beschädigt ist oder wenn blanke Drahtverbindungen vorkommen. Bei Niederspannungszündvorrichtungen fallen hingegen zwar Spannungsstoßgefährdungen weg und auch Leckströme treten seltener auf, so daß die Gefahr von Fehlzündungen reduziert ist.

Elektrische Sprengkapseln lassen sich mittels einer 1,5 Volt Taschenlampenbatterie zünden. Um ein frühzeitiges

Zünden durch externe Spannungsquellen zu vermeiden, ist es zweckmäßig, diese Spannungsanforderungen zu erhöhen.

Nach alldem ist es also Aufgabe der Erfindung, eine hochgenaue Zeitverzögerung für eine elektrische Zündvorrichtung für Sprengkapseln zu schaffen, um die Gesteinszertrümmerung zu verbessern und unerwünschte Erdbodenschwingungen weitestgehend auszuschalten.

Es werden ferner eine größere Zuverlässigkeit, eine größere Sicherheit sowie ein einfacherer Aufbau von derartigen Vorrichtungen angestrebt.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient eine elektronische Sprengkapsel mit einem länglichen Gehäuse, das an einem Ende verschlossen ist und das in der Nähe des verschlossenen Endes eine explosive Sprengladung enthält. Die Sprengkapsel zeichnet sich dadurch aus, daß eine elektrische Zündeinrichtung, beispielsweise ein elektrischer Zünder, im Gehäuse untergebracht ist und ein Zündelement zum Zünden der explosiven Ladung aufweist. Das Gehäuse enthält ferner eine elektronische Einheit, die zur Aufnahme von extern zugeführten Signalen von einer Zündleitung angeschlossen ist und elektrische Energie zu speichern vermag. Die elektrische Zündeinrichtung ist derart an die elektronische Einheit

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angeschlossen, daß sie zumindest einen Teil der gespeicherten elektrischen Energie für die Zündung des Zündelements erhält, welches seinerseits die Sprengladung zündet.
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Die Erfindung wird an Hand von Figuren näher erläutert; es zeigen:

Figur 1 eine Schnittansicht durch eine elektronische Sprengkapsel;

Figur 2 eine Schnittansicht durch eine andere Ausführung der Sprengkapsel;

Figur 3 eine Schnittansicht durch eine weitere Ausführung der Sprengkapsel;

Figur 4 eine Schnittansicht durch eine andere Ausführung der Sprengkapsel;

Figur 5 eine elektronische Zündschaltung in schematischer Darstellung für den Einsatz in einer Sprengkapsel gemäß den Figuren 1 bis 4;

Figur 6 eine schematische Darstellung einer anderen elektronischen Zündschaltung, die in Verbindung mit Sprengkapseln gemäß den Figuren 1 bis 4 verwendbar ist.

in der nachfolgenden Figurenbeschreibung sind jeweils gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

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Figur 1 zeigt eine bevorzugte Ausführung einer elektronischen Sprengkapsel 10 mit einem zylindrischen, länglichen Gehäuse 12, das einen oberen Teil 12a mit größerem Durchmesser und einen unteren Teil 12b mit kleinerem Durchmesser aufweist.

Das Gehäuse 12 weist einen sich verjüngenden Abschnitt 12c auf, der den oberen Teil 12a und den unteren Teil 12b verbindet. Das Gehäuse 12 besteht vorzugsweise aus Metall, beispielsweise Kupfer, Kupferlegierung, Aluminium, Aluminiumlegierung oder aus Stahl.

Das untere Ende des Gehäuses 12 ist ein geschlossenes Ende 12d, in dem eine Basisladung 14, beispielsweise aus PETN, Tetryl, RDX oder Quecksilberfulminat liegt. Unmittelbar über der Basisladung 14 ist im Gehäuse 12 eine Vorbereitungsladung 16 vorgesehen, die aus einem Initialsprengstoff wie einer Diazoverbindung, Bleiazid, HNM, Diazoverbindung/HNM oder Bleistyphnat/Bleiazid besteht. Über der Vorbereitungsladung 16 liegt unmittelbar eine Zündladung 18, beispielsweise eine Diazoverbindung-Bleistyphnat, Diazoverbindung/HNM oder Bleistyphnat/Bleiazid .

Die Ladungen 14, 16 und 18 werden von'einer Metallkapsel 20 in ihrer Lage gehalten, welche die Vorbereitungs-

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ladung 16 und die Zündladung 18 vollständig, die Basisladung 14 jedoch nur teilweise einschließt. Die Metallkapsel 20 ist an ihrem der Basisladung 14 zugewandten Ende offen und an dem gegenüberliegenden Ende teilweise geschlossen. Eine Bohrung 22 im oberen Ende der Metallkapsel 20 läßt einen Teil der Zündladung 18 frei.

Ein zylindrisches Isolierstück 24 ist in das untere Teil 12b des Gehäuses 12 unmittelbar über der Metall- -jO kapsel 20 eingesetzt. Das Isolierstück 24 ist an beiden Enden offen.

Eine elektrische Zündeinrichtung in Form eines elektrischen Zünders 26 ist in dem Isolierstück 24 untergebracht und weist ein Zündelement 26a auf. Der elektrische Zünder 26 wird bei Zufuhr von elektrischem Strom durch die Leitungen 28 und 30 gezündet.

Eine elektronische Steuereinheit 32 ist im oberen Teil 12a des Gehäuses 12 unmittelbar obenhalb des sich verjüngenden Abschnitts 12c untergebracht. Die Steuereinheit 32 weist eine weiter unten näher erläuterte elektronische Schaltung auf, die beispielsweise in Epoxidharz eingegossen ist, das eine geringe Durometerhärte aufweist, beispielsweise Hardman-EP2408 TS, das eine Kombination von Epoxidharz und Elastomerem oder von

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verschiedenen synthetischen Kautschuken, die eine ausreichende Stoßsicherung liefern, darstellt. Die elektronische Schaltung in .der Steuereinheit 32 ist über die Leitungen 28 und 30 an den elektronischen Zünder 26 angeschlossen. Der Lade- und Zündbefehl für die elektronische Schaltung wird über Kabel 34 und 36 zugeführt, die sich von der elektronischen Steuereinheit 32 aus dem Gehäuse 12 erstrecken.

Das obere Ende des Gehäuses 12 ist mit einem Stopfen 38 aus Kautschuk oder Kunststoff abgedichtet, der eine wasserdichte Versiegelung des Gehäuses 12 bewirkt. Der Stopfen 38 ist durch Krimpfungen 40 und 42 im Gehäuse 12 gesichert.

Im Betrieb wird der elektronischen Sprengkapsel 10 ein Ladebefehl über die Kabel 34 und 36 zugeführt, der in der elektronischen Steuereinheit 32 gespeichert wird. Je nach Art der in der Steuereinheit 32 verwendeten Schaltung wird ein Zeitsignal ausgelöst, wenn das einlaufende Signal einen plötzlichen Amplitudensprung vornimmt. Nach diesem Amplitudensprung verstreicht eine vorgegebene Zeitspanne, ehe ein Teil der gespeicherten elektronischen Ladung über die Leitungen 28 und 30 übei— tragen wird und die Zündung des elektrischen Zünders 26 bewirkt.

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Das Zündelement 26a des elektrischen Zünders 26 hat durch die Bohrung 22 Zugriff zur Zündladung 18, Nach dem Zünden des Zündelements 26a zündet die dabei freigelegte Energie die Zündladung 18. Deren Zündung zündet wiederum die Vorbereitungsladung 16, die schließlich die Basisladung 14 zündet.

Figur 2 zeigt eine andere Ausführung der Sprengkapsel gemäß Figur 1, die mit dem Bezugszeichen 52 versehen ist. Die Sprengkapsel 52 entspricht im wesentlichen der elektronischen Sprengkapsel 10 mit der Ausnahme, daß das Gehäuse 12 zylindrisch ist uad über seine gesamte Länge somit den gleichen Durchmesser hat.

Figur 3 zeigt eine weitere Ausführung einer Sprengkapsel 60, die im wesentlichen gleich ist wie die Sprengkapsel 10 gemäß Figur 1. Der Unterschied besteht darin, daß der bei der Sprengkapsel 10 vorgesehene Stopfen 38 weggelassen ist. Hingegen ist die elektronische Steuereinheit 32 so weit verlängert, daß sie aus dem oberen Ende des Gehäuses 12 vorsteht. Das Gehäuse 12 ist durch Krimpfungen 62 und 64 dicht an der Steuereinheit 32 befestigt. Die Sprengkapsel 60 funktioniert auf die gleiche Weise wie die Sprengkapsel 10 gemäß Figur 1.

Figur 4 zeigt eine weitere Ausführung einer Sprengkapsel 70, die ähnlich wie die Sprengkapsel 60 gemäß Figur 3 ist und lediglich eine andere Form des Gehäuses 12 aufweist. Das Gehäuse 12 ist wiederum zylindrisch und hat somit über seine gesamte Länge einen gleichen Durchmesser. Im übrigen entspricht die Sprengkapsel 70 der Sprengkapsel 60.

Die in der elektronischen Steuereinheit 32 verwendbaren Schaltungen sind in den Figuren 5 und 6 dargestellt.

Figur 5 zeigt eine elektronische Sprengverzögerungsschaltung 90, der Eingangsladesignale über die Kabel 34 und 36 zuführbar sind. Das Eingangsladesignal ist vorzugsweise ein Gleichstromsignal von 12, 24 oder 48 Volt. Es kann jedoch auch ein Wechselstromsignal sein. Die Kabel 34 und 36 sind an die Eingänge eines Vollweg-Gleichrichters 96 angeschlossen. Der Gleichrichter 96 ist eine Diodenbrücke mit den Dioden 98, 100, 102 und 104. Die Ausgänge des Gleichrichters 96 sind an Leitungen 106 und 108 angeschlossen.

Ein Widerstand 110 ist mit seinem einen Ende an die Leitung 106 und mit seinem anderen Ende an die Leitung 108 angeschlossen.

Ein Kondensator 112 liegt zwischen der Leitung 106 und einem Knoten 114. Ein Widerstand 116 liegt in Reihe mit dem Kondensator 112 zwischen den Leitungen 106 und 108.

Ein Kondensator 118 liegt mit einem Ende am Knoten 114 und mit seinem anderen Ende an einem zweiten Knoten 120. Ein weiterer Widerstand 122 ist mit dem Kondensator 118 zwischen dem Knoten 114 und der Leitung 108 in Reihe geschaltet.

Ein Widerstandszündelement 124, beispielsweise ein Widerstandsdraht, ist mit einem Ende an die Leitung 106 und mit seinem anderen Ende an die Anode eines Thyristors 126 angeschlossen. Die Kathode des Thyristors 126 liegt am ersten Knoten 14. Die Steuerelektrode des Thyristors 126 ist mit der Anode einer Zener-Diode 128 verbunden. Die Kathode der Zener-Diode 128 ist an den zweiten Knoten 120 angeschlossen.

Nachfolgend wird die Funktion der elektronischen Sprengverzögerungsschaltung 90 anhand von Figur 5 beschrieben. Die Schaltung 90 wird als Teil der in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Sprengkapsel hergestellt und dient zur Zündung einer Vorbereitungsladung. Wie bereits erwähnt, wurden bislang dicke Kabel sowie eine Hochleistungsquelle benötigt, um eine Vielzahl von

elektrischen Sprengkapseln zu zünden. Die erfindungsgemäße Schaltung gestattet jedoch die Zündung einer Vielzahl von Sprengkapseln und erfordert dazu lediglich eine dünne Zündleitung sowie eine niederenergetische Versorgungsquelle.

Das Eingangssignal für die Schaltung 90 wird über die Kabel 34 und 36 entweder als Gleich- oder als Wechselstromsignal an den Vollweg-Gleichrichter 96 gelegt. Am Ausgang des Gleichrichters 96 erscheint ein Gleichspannungssignal auf den Leitungen 106 und 108, wobei die Leitung 106 gegenüber der Leitung 108 positiver ist.

Das von dem Gleichrichter 96 erhaltene Gleichstromsignal wird unmittelbar an den Widerstand 110 und über den Widerstand 116 an den Kondensator 112 gelegt. Der Kondensator 112 wird von dem Gleichstromsignal mit einer Geschwindigkeit aufgeladen, die von seiner Kapazität und der Größe des Widerstands 116, der Impedanz der Dioden 98-104 und dem Innenwiderstand der nicht-dargestellten Stromquelle abhängt, die das Eingangssignal über die Kabel 34 und 36 zuführt. Nach einer vorgegebenen Zeitspanne ist der Kondensator 112 auf den Spitzenwert der vom Gleichrichter 96 erzeugten Gleichspannung aufgeladen.

Während des Aufladens des Kondensators 112 fließt ein Strom durch den Widerstand 116, der einen Spannungsabfall über der Reihenschaltung von dem Widerstand 122 und dem Kondensator 118 bewirkt. Dadurch wird der Kondensator 118 vorübergehend aufgeladen, was zu einer negativen Vorspannung an der Steuerelektrode des Thyristors 126 führt. Da Thyristor 126 zu diesem Zeitpunkt gesperrt ist, hat die Spannung über dem Kondensator 118 während des Ladens des Kondensators 112 keinen Einfluß auf den Thyristor 126. Nachdem der Kondensator 112 vollständig aufgeladen ist, entlädt sich den Kondensator 118 über die Widerstände 116 und 122.

Wenn der Kondensator 112 seine volle Aufladung durch das vom Gleichrichter 96 gelieferte Gleichstromsignal erreicht hat, dann gelangt die Schaltung 90 in den Ruhezustand. Es fließt zwar weiterhin Strom durch den Widerstand 110, der durch den Rest der Schaltung fließende Strom ist jedoch äußerst klein. Wenn der Kondensator 112 etwa auf den Spitzenwert des über die Kabel 34 und 36 zugeführten Eingangssignals aufgeladen ist, dann befindet sich die Schaltung 90 in einem Vorbereitungszustand für den Zündvorgang. Die Sprengladung ist somit scharf.
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Wenn das Eingangssignal von den Kabeln 34 und 36 abgenommen wird, dann tritt ein plötzlicher Übergang in Form eines Amplitudensprungs im Eingangssignal auf, wodurch die Verzögerungselemente der Schaltung 90 aktiviert werden. In diesem Fall übernimmt der Speicherkondensator 112 nun die Spannungsversorgung für die Schaltung 90 und es fließt Strom durch die Widerstände 110 und 116, was wiederum einen Spannungsabfall üben dem Widerstand 116 bewirkt. Dieser Spannungsabfall läßt wiederum einen Strom durch die Reihenschaltung von Widerstand 122 und Kondensator 118 fließen. Für eine bestimmte Zeitspanne nimmt die Spannung über dem Kondensator 118 kontinuierlich zu, bis sie gleich der Schwellen- oder Bezugsspannung der Zener-Diode 128 wird. Wenn die Spannung am Kondensator 118 diesen Schwellenspannungswert erreicht, dann wird die Zener-Diode 128 entgegengesetzt vorgespannt und eine positive Spannung erscheint an der Steuerelektrode des Thyristors 126. Diese positive Spannung an der Steuerelektrode des Thyristors 126 steuert diesen auf und verbindet dadurch das Widerstandszündelement 124 unmittelbar mit den Enden des Kondensators 112. Ein wesentlicher Teil der Restladung des Kondensators 112 wird dadurch über das Widerstandszündelement 124 geleitet, der zu dessen Zündung ausreicht. Dies wiederum bewirkt die Zündung der die Schaltung 90 enthaltenden Sprengkapsel.

Die Zeitverzögerung zwischen dem Abklemmen des Eingangssignals und dem Zünden des Widerstandszündelements 124 wird durch die Widerstände 110, 116 und 122 zusammen mit den Kondensatoren 112 und 118 bestimmt. Am einfachsten läßt sich die Zeitverzögerung der Schaltung 90 durch Einstellen der Werte für den Widerstand 122 und den Kondensator 118 festlegen.

Ein wesentliches Merkmal der elektronisch verzögerten Sprengkapsel liegt darin, daß diese nach der Vorbereitung durch ein Eingangssignal selbst dann normal arbeitet, wenn die externen Zündkabel oder Zündleitungen unterbrochen oder während der Sprengung kurzgeschlossen sind. Der Gleichrichter 96 dient dazu, die vorbereitetet Schaltung von der externen Schaltung abzutrennen, um zu verhindern, daß die externe Schaltung die Zeitverzögerung beieinflußt und damit keine gespeicherte Energie in die Versorgungskabel zurückfließt. Der Gleichrichter 96 gestattet außerdem den Anschluß an Zündleitungen ohne Beachtung der Polarität. Außerdem wird die Zuverlässigkeit der Sprengungen wesentlich dadurch erhöht, daß die elektrische Energie in einem Kondensator gespeichert wird, der Teil der elektronisch verzögerten Sprengkapsel ist. Dadurch können alle Kapseln einer Sprengkapselanordnung vorbereitet und auf Eigenbetrieb gebracht werden, ehe das erste Sprengloch explodiert.

Die beim Stand der Technik auftretenden Schwierigkeiten, nämlich Leitungsbruch und/oder -kurzschluß aufgrund von niederfallendem Gestein oder aufgrund von Erdbewegungen bei der Sprengung, sind somit vermieden.
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Außerdem ist die Zeitverzögerung der erfindungsgemäßen elektronisch verzögerten Sprengkapsel wesentlich genauer und präziser als bei bekannten Verzögerungs-Sprengkapseln, die zur Zeitverzögerung pyrotechnische 10 Mischungen verwenden.

Für die in Figur 5 dargestellte Schaltung gelten beispielsweise folgende Werte:

Eingangssignal Widerstand 110 Widerstand 116 Widerstand 122 Kondensator Kondensator Zener-Diode

Thyristor 126 Zündelement

Verzögerungszeit

24 Volt Gleichspannung 2 kOhm, 1/8 Watt 10 kOhm, 1/8 Watt kOhm, 1/8 Watt .uF, 25V = 1 ₇uF, 12V= 12 V, 1/2 Watt-Sylvania

ECG-5021

0,8 A-Sylvania ECG-5400 sofort zündende elektrische Zündkapsel 141 msec (— 1 msec)

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Es wurde eine Anzahl von parallel geschalteten elektronischen Sprengkapseln untersucht, die die Schaltung gemäß Figur 1 aufwiesen. Die Sprengkapseln wurden alle erfolgreich mit etwa der gleichen Verzogerungszeit aktiviert.

Figur 6 zeigt eine weitere Ausführung einer Verzögerungsschaltung 140, die als Teil einer Sprengkapsel hergestellt wird und ein Eingangssignal über die Kabel 34 und 36 aufnimmt, die an die Eingangsklemmen eines Vollweg-Gleichrichters 146 angeschlossen sind. Eine Anzahl von Dioden 148, 150, 152 und 154 bildet als Brückenschaltung den Gleichrichter 146. Die Eingänge des Gleichrichters 146 sind mit den Kabeln 34 und 36 verbunden. Gleichstrom-Ausgangssignale werden vom Gleichrichter 146 über Leitungen 156 und 158 ausgegeben, wobei die Leitung 156 positiver als die Leitung 158 ist.

Ein Speicherkondensator 160 ist mit einem Ende an die Leitung 156 und mit seinem zweiten Ende an die Leitung 158 angeschlossen.

Ein weiterer Kondensator 162 liegt mit einem Ende an der Leitung 156 und mit seinem anderen Ende an einem Knoten 164. Ein Widerstand 166 liegt zwischen dem Knoten 164 und der Leitung 158.

Ein Widerstandszündelement 168 ist mit einem Anschluß an die Leitung 156 und mit einem anderen Anschluß an die Anode eines Thyristors 170 gelegt. Die Kathode des Thyristors 170 ist mit dem Knoten 164 verbunden.
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Eine Zener-Diode 172 ist mit ihrer Anode an die Steuerelektrode des Thyristors 170 angeschlossen, während ihre Kathode an der Leitung 156 hängt.

Die elektronische Verzogerungsschaltung 140 arbeitet anders als die Schaltung 90 gemäß Figur 5. Die Zeitverzögerungsperiode der Schaltung 140 beginnt beim Anlegen des Eingangssignals. Wenn das Eingangssignal von Null auf seine volle Spannung übergeht, dann erscheint ein Stromimpuls auf den zum Gleichrichter 146 führenden Kabeln 34 und 36. Dieser Stromimpuls läßt am Ausgang des Gleichrichters 146 auf den Leitungen 156 und 158 ein Gleichstromsignal erscheinen. Das vom Strompimpuls stammende Gleichstromsignal ladt den Speicherkondensator 160 unmittelbar und den Kondensator 162 über den Widerstand 166 auf. Nach dem anfänglichen Spannungssprung im Eingangsimpuls steigt die Spannung am Kondensator 162 kontinuierlich an, bis sie die Schwellenspannung der Zener-Diode 172 erreicht. Wenn die Schwellenspannung der Zener-Diode 172 erreicht ist, dann wird

diese leitend und die Steuerelektrode des Thyristors 170 wird mit einer positiven Spannung versorgt. Eine positive Spannung an der Steuerelektrode des Thyristors 170 steuert diesen auf und verbindet das Zündelement 168 unmittelbar über die Leitung 156 und den Knoten 164. Die in den Kondensatoren 160 und 162 gespeicherte Ladung wird dann über das Zündelement 168 geleitet, das dadurch zündet.

Die Zeitverzögerungsschaltung 140 wird durch die Aufladung des Kondensators 162 gesteuert und dies erfolgt hauptsächlich durch den Widerstandswert des Widerstandes 166.

Die Verwendung der Schaltung 140 anstelle der Schaltung 90 ist dann vorteilhaft, wenn eine Unterbrechung oder ein Kurzschluß in den Versorgungsleitungen auftritt, bevor der Kondensator der Schaltung 90 vollständig geladen ist. Wenn dies der Fall ist, dann tritt die Zeitverzögerung für die Sprengung nicht zum richtigen Zeitpunkt auf. Mit der Schaltung 140 wird die Verzögerungszeit jedoch bereits zu Beginn des Eingangssignals ausgelöst. Die Schaltung 140 erfordert jedoch die Verwendung von dicken, widerstandsarmen Zündleitungen und eine hochenergetische Zündquelle, um eine wesentliche Anzahl von Sprengkapseln mit einem einzigen Stromstoß zu zünden.

Ein weiterer Vorteil der Schaltung 140 liegt darin, daß sie weniger Bauelemente als die Schaltung 90 aufweist. Dadurch ist sie billiger und außerdem zuverlässiger, da weniger Bauelemente ausfallen können.
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Die erfindungsgemäßen elektronischen Sprengkapseln weisen zahlreiche Vorteile auf, nämlich:

(a) Die Genauigkeit und Präzision der Zeitabstimmung der elektronisch verzögerten Sprengkapsel ist wesentlich besser als bei bekannten pyrotechnischen Verzögerungen;

(b) die Verwendung der elektronisch verzögerten Sprengkapseln gestattet eine bessere Steuerung von bei Mehrfachsprengungen auftretenden Erdbodenschwingungen, da die Zeitabstände zwischen den einzelnen Sprengungen genauer steuerbar sind;

(c) die Verwendung der elektronisch verzögerten Sprengkapseln gibt der Sprengmannschaft eine größere Flexibilität bezüglich der Auswahl und Verwendung mehrerer einzelner Ladungen. Dadurch kann die Sprengung mit größerer Präzision und Genauigkeit gesteuert werden, wobei die Verzögerungsintervalle zwischen den einzelnen Sprengungen verkürzbar sind;

(d) die Verwendung von elektronisch verzögerten Sprengkapseln verbessert die Sprengresultate, indem Explosionen außer der Reihe ausgeschaltet werden;

(e) die Kombination der elektronisch verzögerten Sprengkapsel mit dem Reihenschalter ergibt ein kompletteres Sprengungszündsystem, dessen Verzögerungszeiten durch elektronische Einrichtungen besser steuerbar sind, als durch eine Kombination von elektronischen Einrichtungen (Stufenschalter) mit pyrotechnischen Einrichtungen.

Die elektronisch verzögerten Sprengschaltungen gewährleisten zuverlässigere Sprengvorgänge, und zwar aus den folgenden Gründen:

(a) Alle Kapseln werden vor der Sprengung eines Sprengloches vorbereitet bzw. geschärft;

(b) die Kapseln sind von einer Niederspannungsquelle aktivierbar, wodurch Spannungsstoßunfälle und Leckströme ausgeschaltet werden;

(c) alle Kapseln sind parallel schaltbar, so daß keine Energieberechnungen erforderlich sind und das Sprengsystem einfacher als bekannte elektrische Sprengsysteme anlegbar ist.

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Die erfindungsgemäßen elektronisch verzögerten Sprengschaltungen sind auch wesentlich sicherer als die bekannten elektrischen Sprengkapseln, und zwar aus den folgenden Gründen:
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(a) Die erfindungsgemäßen Sprengschaltungen erfordern höhere Spannungswerte zur Zündungsauslösung;

(b) der Widerstand gegenüber statischer Elektrizität ist in den Steuerschaltungselementen verbessert;

(c) Energieberechnungen sind nicht erforderlich, so daß die Möglichkeit von Fehlzündungen reduziert ist.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungen liegt darin, daß die Zeitverzögerung für die elektronisch verzögerten Sprengkapseln während der Herstellung genau meßbar ist, so daß die tatsächliche Verzögerungszeit auf der Kapsel verzeichnet werden kann. Dies er- folgt durch Einprägen, Stempeln, Beschriften usw. Dadurch wird unter bestimmten Arbeitsbedingungen der Einsatz einer richtig verzögerten Sprengkapsel gewährleistet.

HU/lü/wo

Claims

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UEXKULL & STOLBERG

PATENTAN WAl TE

BESELERSTRASSE 4 D-2000 HAMBURG 52

Atlas Powder Company 12700 Park Central Place, Suite 1700,
Dallas, Texas 75251,

V.St.v.A.

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EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

DR J-D FRHR von UEXKULL

DR ULRICH GRAF STOLBERG

DIPL -ING. JÜRGEN SUCHANTKE

DIPL ING. ARNULF HUBER

DR ALLARD von KAMEKE

DR KARL HEINZ SCHULMEYER

(Prio:5. Mai 1980 . US 146 272 - 17653)

April 1981

Elektronische Sprengkapsel

Ansprüche

Elektronische Sprengkapsel gekennzeichnet durch:

- ein längliches Gehäuse (12) mit einem geschlossenen Ende (12d ) ;

- eine in dem Gehäuse (12) untergebrachte Sprengladung (14, 16, 18);

- ein in dem Gehäuse (12) vorgesehener elektrischer Zünder (26) mit einem Zündelement (26a) zum Zünden der Sprengladung (18, 16, 14); und

- eine in das Gehäuse (12) eingesetzte elektronische Steuereinheit (32), die über Kabel (34, 36) an eine externe Spannungsquelle angeschlossen ist und zur Speicherung von elektrischer Energie

dient, wobei der elektrische Zünder (26 der elektronischen Steuereinheit (32) nachgeschaltet ist.
2. Sprengkapsel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuereinheit (32) Einrichtungen zur Verzögerung der Zündung des Zündelements (26a) um eine vorgegebene Zeitspanne nach einem Spannungsübergang des extern angelegten Signals aufweist.
3. Sprengkapsel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprengladung eine am geschlossenen Ende (12d) liegende Basisladung (14), eine auf der Basisladung (14) liegende Vorbereitungsladung (16) und einen auf der Vorbereitungsladung (16) liegende Zündladung (18) umfaßt.
4. Sprengkapsel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (12) eine zylindrische Metallkapsel (20) mit einem vollständig offenen Ende und einem zweiten, teilweise verschlossenen Ende eingesetzt ist, die im Bereich des teilweise verschlossenen Endes die Zündladung (18) enthält, an die sich die Vorbereitungsladung (16) und danach die Basisladung (14) anschließen.
5. Sprengkapsel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Gehäuses (12) ein Isolierstück (24) den elektrischen Zünder (26) umgibt.
6. Sprengkapsel nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Verschlußeinrichtung für das Gehäuse (12).
7. Sprengkapsel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußeinrichtung ein Stopfen (38) ist, der in dem offenen Ende des Gehäuses (12) steckt und mit diesem verbunden ist.
8. Sprengkapsel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußeinrichtung ein eingekapselter Fortsatz der elektronischen Steuereinheit (32) ist, der das offene Ende des Gehäuses (12) verschließt und mit diesem verbunden ist.
9. Sprengkapsel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (12) ein Zylinder mit im wesentlichen konstantem Durchmesser ist.
10. Sprengkapsel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (12) ein Zylinder mit einem oberen Teil (12a) von größerem Durchmesser für die

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Aufnahme der elektronischen Steuereinheit (32) und mit einem unteren Teil (12b) von kleinerem Durchmesser für die Aufnahme des elektrischen Zünders (26) und der Sprengladungen (14, 16, 18) ist.
11. Sprengkapsel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuereinheit (32) die folgenden Bauelemente aufweist:

- einen Vollweg-Gleichrichter (96, 146) zur Abgabe eines Gleichstromsignals aus extern zugeführten Signalen;

- einen Speicherkondensator (112, 160), der an die Ausgänge (106, 108 bzw. 156, 158) des Gleictirichters (96 bzw. 146) angeschlossen ist;

- ein Zeitglied zur Erzeugung eines Zeitsignals;

- eine Zener-Diode (128, 172) zur Feststellung, wann das Zeitsignal einer Bezugsspannung entspricht; und

- einen an ein Zündelement (124, 168) angeschlossenen Thyristor (126, 170), der von der Zener-Diode (128, 172) gesteuert ist.
12. Sprengkapsel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Vollweg-Gleichrichter (96, 146) eine Bruckenschaltung mit vier Dioden (98-104; 148-154) ist.
13. Sprengkapsel nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,

- daß ein erster Widerstand (110) an die Ausgänge (106, 108) des Vollweg-Gleichrichters (96) angeschlossen ist;

- daß ein erster Kodensator (112) mit einem Bein an den ersten Ausgang (106) des Gleichrichters (96) und mit seinem zweiten Bein an einem ersten Knoten (114) liegt;

- daß ein zweiter Widerstand (116) mit einem ersten Bein an den ersten Knoten (114) und mit seinem zweiten Bein an den zweiten Ausgang (108) des Gleichrichters (96) angeschlossen ist;

- daß ein zweiter Kodensator (118) mit einem Bein an dem ersten Knoten (114) und mit seinem zweiten Bein an einem zweiten Knoten (120) liegt;

- daß ein dritter Widerstand (122) mit einem ersten Bein an den zweiten Knoten (120) und mit seinem zweiten Bein an den zweiten Ausgang (108) angeschlossen ist;

- daß ein Thyristor (126) mit seiner Kathode an dem ersten Knoten (114) liegt;

- daß eine Zener-Diode (128) mit ihrer Anode an die Steuerelektrode des Thyristors (126) angeschlossen ist und mit ihrer Kathode an dem zweiten Knoten (120) liegt; und

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- daß das Zündelement (124) mit einem Bein an dem ersten Ausgang (106) und mit seinem zweiten Bein an der Anode des Thyristors (126) hängt.
14. Sprengkapsel nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuereinheit (32) die folgenden Bauteile aufweist:

- einen Vollweg-Gleichrichter (146) mit einer positiveren Ausgangsleitung (156) und einer negativeren Ausgangsleitung (158);

- einen ersten Kondensator (160), der zwischen die erste und zweite Leitung (156, 158) geschaltet ist;

- einen zweiten Kondensator (162), der mit einem Bein an der ersten Leitung (156) und mit seinem zweiten Bein an einem ersten Knoten (164) liegt;

- einen ersten Widerstand (166), der mit einem Anschluß an dem ersten Knoten (164) und mit seinem zweiten Anschluß an der zweiten Leitung (158) hängt;

- einen Thyristor (170), dessen Kathode an den ersten Knoten (164) angeschlossen ist;

- eine Zener-Diode (172), deren Anode an der Steuerelektrode des Thyristors (170) liegt und deren Kathode an die erste Leitung (156) angeschlossen ist; und

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- ein Zündelement (168) dessen eines Bein an der ersten Leitung (156) und dessen zweites Bein an der Anode des Thyristors (170) hängt.
15. Sprengkapsel nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Zündelement (124, 168) ein elektrisches Widerstands-Zündelement ist.