RU2571461C1 - Взрывной конденсаторный прибор - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области производства взрывных работ, к устройствам для электрического инициирования зарядов, предназначенным для использования в шахтах, опасных по пыли и газу. Взрывной конденсаторный прибор содержит корпус с выходными зажимами для подключения взрывной цепи, размещенные в корпусе источник питания, ключ питания с магнитоуправляемым контактом, преобразователь напряжения, к которому подключен конденсатор-накопитель, электронно-управляемые ключи формирования взрывного импульса, узлы контроля сопротивления взрывной цепи и напряжения на конденсаторе-накопителе и блок управления. Для инициирования прибора служит съемный ключ, размещаемый в соответствующем гнезде на корпусе прибора и оснащенный упругим элементом, закрепленным на корпусе ключа, отжимающим установленный в гнезде ключ от корпуса прибора. В корпусе ключа размещены постоянный магнит, воздействующий на магнитоуправляемый контакт ключа питания, при прижатии установленного в гнезде съемного ключа к корпусу прибора с силой, превышающей силу упругого элемента, и микропроцессор, в памяти которого зашит код программы работы прибора. Микропроцессор выполнен с возможностью соединения с блоком управления прибора посредством беспроводного канала связи и с возможностью бесконтактного питания от индуктивного источника питания, размещенного в корпусе прибора и соединенного с блоком управления. Изобретение позволяет исключить возможность несанкционированного запуска прибора посторонним магнитом при обеспечении высокой взрывозащищенности, стабилизировать параметры взрывного импульса в широком диапазоне температур и ра�

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области производства взрывных работ, а именно к устройствам для электрического инициирования зарядов, предназначенным для преимущественного использования в шахтах, опасных по пыли и газу.

Уровень техники

Известен конденсаторный взрывной прибор КПВ-1/100М, предназначенный для работы в шахтах, опасных по пыли или газу (см. Б.Н. Кутузов. Взрывные работы. М: Недра, 1988 г, с. 147). К линейным зажимам прибора подключается взрывная цепь, состоящая из одиночных или группы последовательно соединенных электродетонаторов. Запуск прибора и управление его работой осуществляется посредством съемных ключей, устанавливаемых в соответствующие гнезда на корпусе прибора. Один съемный ключ обеспечивает вскрытие (включение) прибора, другой - управляет режимами работы.

Известно устройство электрического взрывания (патент на изобретение RU 2360214. МПК: F42D 1/045, опубл. 27.06.2009 г), характеризующееся следующими признаками, сходными с существенными признаками заявляемого технического решения: наличием электрической схемы, включающей источник питания, ключ питания, преобразователь напряжения, конденсатор-накопитель, первый и второй электронные коммутаторы, блок контроля источника питания, датчик напряжения заряда конденсатора-накопителя, датчик тока и микроконтроллер с аналого-цифровым преобразователем, управляющий процессом формирования взрывного импульса на основе оперативного контроля параметров электрической схемы.

Упомянутое устройство имеет ряд существенных недостатков, а именно:

- в схеме отсутствует контроль длительности импульса, выдаваемого во взрывную цепь, что недопустимо для взрывобезопасных приборов. Ограничение производят только по величине тока, что не исключает возможности раннего разрушения детонаторов.

- отсутствует контроль сопротивления взрывной цепи;

- отсутствует защита от несанкционированного использования устройства. Последнее является особо важным аспектом для приборов, применяемых в условиях повышенной опасности.

В качестве наиболее близкого аналога для заявляемого технического решения, принято изделие промышленного производства «Устройство взрывное программируемое ЖЗ 2460», выпускаемое ПО «Электроточприбор», г. Омск, (каталог «Приборы для добывающих отраслей. Изд-во: Омск, 2002 г., электронный источник информации: сайт http://etpribor.ru/product_info.php?products_id=78).

Упомянутое устройство содержит корпус, на поверхности которого расположены выходные зажимы для подключения взрывной цепи, окна индикации и зарядные контакты. В корпусе размещены источник питания, ключи на основе герконов (магнитоуправляемых контактов), преобразователь напряжения, к которому подключен конденсатор-накопитель, узел контроля напряжения источника питания, электронно-управляемые ключи формирования взрывного импульса, узел контроля сопротивления взрывной цепи и узел контроля напряжения на конденсаторе-накопителе, узел индикации и блок управления, включающий аналого-цифровой преобразователь, запоминающее устройство и блок формирования управляющих импульсов.

Устройство обеспечивает автоматическую выдачу взрывного импульса. Наличие узлов контроля целостности и величины сопротивления взрывной цепи позволяет автоматически отказываться от взрыва при повреждении взрывной цепи. Возможность ограничения напряжения на конденсаторе-накопителе способствует оптимизации параметров взрывного импульса.

Для приведения устройства в действие служат специальные съемные ключи, не имеющие электрической связи с электрическими частями устройства и хранящиеся отдельно от него, за счет чего обеспечивается защита от случайной, несанкционированной подачи напряжения на выходные зажимы и блокировка электрической схемы устройства в нормальном состоянии. Каждый съемный ключ содержит свой набор постоянных магнитов, которые при установке ключа в специальном гнезде на корпусе прибора воздействуют на герконы прибора, обеспечивая подключение питания и выбор той или иной программы работы, определяемой параметрами взрывной цепи, которая может состоять из одиночных детонаторов или комплектов последовательно соединенных детонаторов, различающихся количеством последних.

На поверхности корпуса съемного ключа закреплен упругий элемент, отжимающий установленный в гнезде ключ от корпуса прибора, что способствует дополнительной защите от несанкционированного использования. Срабатывание магнитоуправляемых контактов прибора под воздействием магнитного поля постоянных магнитов съемного ключа происходит только при условии прижатия установленного в гнезде ключа к корпусу прибора с силой, превышающей силу упругого элемента.

Существенным недостатком ближайшего аналога является то, что не исключена вероятность инициирования прибора посторонним внешним магнитом при нахождении на поверхности прибора точки срабатывания. В этом случае программа работы прибора запускается случайным образом.

Другим недостатком упомянутого решения является большой разброс параметров герконов и постоянных магнитов и их взаимное влияние, что делает настройку ключей сложной и индивидуальной.

Построение блока управления на дискретных элементах ведет к погрешностям измерения сопротивления взрывной цепи и энергии при работе в широком температурном диапазоне, что снижает надежность инициирования.

Раскрытие изобретения

Изобретение направлено на повышение защищенности взрывного прибора от несанкционированного использования, повышение точности параметров взрывного импульса и расширение возможностей по величине взрывного импульса.

Один положительный технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого изобретения, заключается в исключении возможности несанкционированного запуска прибора посторонним магнитом при обеспечении высокой взрывозащищенности.

Другой положительный результат заключается в стабилизации параметров взрывного импульса в широком диапазоне температур.

Еще одним положительным техническим результатом стало расширение возможностей изменения энергетических параметров взрывного импульса путем изменения программы съемного ключа.

Решение технической задачи и упомянутые технические результаты достигаются благодаря усовершенствованиям взрывного конденсаторного прибора, содержащего корпус с выходными зажимами для подключения взрывной цепи, размещенные в корпусе источник питания, ключ питания с магнитоуправляемым контактом, преобразователь напряжения, к которому подключен конденсатор-накопитель, электронно-управляемые ключи формирования взрывного импульса, узлы контроля сопротивления взрывной цепи и напряжения на конденсаторе-накопителе и блок управления, и, по меньшей мере, один размещаемый в соответствующем гнезде на корпусе прибора съемный ключ, содержащий упругий элемент, закрепленный на корпусе ключа и отжимающий установленный в гнезде ключ от корпуса прибора, и размещенный в корпусе ключа постоянный магнит, воздействующий на магнитоуправляемый контакт ключа питания при прижатии установленного в гнезде съемного ключа к корпусу прибора с силой, превышающей силу упругого элемента.

Упомянутые усовершенствования, согласно заявляемому изобретению, заключаются в том, что съемный ключ снабжен микропроцессором, в памяти которого зашит код программы работы прибора, при этом микропроцессор выполнен с возможностью соединения с блоком управления прибора посредством беспроводного канала связи и с возможностью бесконтактного питания от индуктивного источника питания, размещенного в корпусе прибора и соединенного с блоком управления. Обе упомянутые возможности реализуются в случае правильной установки съемного ключа в гнезде корпуса прибора, т.е. при его прижатии к корпусу прибора.

Как и в ближайшем аналоге, в предлагаемом техническом решении для подключения источника питания к электрической схеме прибора используют магнитное поле постоянного магнита съемного ключа, которое, при прижатии ключа в гнезде прибора, воздействует на магнитоуправляемый контакт ключа питания прибора, обеспечивая его замыкание и подачу напряжения на элементы схемы прибора.

Отличием от ближайшего аналога является выполнение съемного ключа в виде электронного ключа, оснащенного микропроцессором, в памяти которого зашит код программы работы прибора, который, при правильной установке ключа в корпусе прибора, передается на блок управления прибора посредством беспроводного канала связи. Благодаря этому, при несанкционированном включении питания прибора сторонним магнитом, запуск программы и дальнейшая работа прибора невозможны, т.к. на входе блока управления прибора отсутствует информационный код с требуемой программой работы, содержащейся только в съемном ключе.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет исключить возможность запуска прибора в работу обычным магнитом.

Оснащение съемного ключа микропроцессорным устройством позволило расширить возможности задания программы работы прибора за счет включения в информационный код, передаваемый от ключа к прибору, дополнительной информации. Так, в отличие от других известных аналогов, код программы работы прибора, зашитый в памяти микропроцессора съемного ключа, включает информацию о всех необходимых параметрах взрывного импульса.

Задание параметров взрывного импульса из памяти съемного ключа позволило в широких пределах варьировать величину энергии в зависимости от задаваемой величины ограничения сопротивления взрывной цепи.

Использование электронного устройства для придания ключу «интеллектуальных» способностей, привело к необходимости решения проблемы питания микропроцессора.

Оснащение съемного ключа встроенным источником питания, например, аккумуляторной батарей, привело бы к необходимости формирования на корпусе ключа зарядных контактов, либо к выполнению корпуса сборно-разборным для возможности замены источника питания. Однако и то и другое сопряжено с технологическими трудностями и ведет к снижению взрывозащищенности устройства.

В предлагаемом техническом решении в электронном ключе отсутствует химический источник питания, а питание микропроцессора ключа осуществляется бесконтактным образом от индуктивного источника питания - катушки индуктивности, размещенной в корпусе прибора и управляемой процессором прибора (блоком управления).

Приемная обмотка, связанная с упомянутой катушкой индуктивности посредством магнитного потока, размещена в корпусе съемного ключа и соединена через соответствующий преобразователь с микропроцессором ключа. Необходимая мощность магнитного потока, достаточная для работы микропроцессора, достигается при соосном положении обмоток, имеющем место только при прижатии съемного ключа в гнезде прибора.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить высокий уровень защищенности прибора от несанкционированного использования и его взрывозащищенности.

В качестве беспроводного канала связи предпочтительно использование инфракрасного канала. В отличие от радиоканала, инфракрасный канал нечувствителен к электромагнитным помехам и обеспечивает в пределах одного прибора наибольшую устойчивость и надежность передачи.

Передачу сигналов между процессорами ключа и прибора осуществляют на определенной частоте. С целью повышения криптозащиты передаваемой информации прибор снабжен узкополосным фильтром для фильтрации принимаемого от ключа сигнала.

Для повышения точности измерения сопротивления цепи и напряжения на конденсаторе-накопителе блок управления, предпочтительно, выполнен на базе одной интегральной микросхемы - процессора со встроенной памятью и многоканальным аналого-цифровым преобразователем. Повышение точности измерений способствует стабилизации параметров взрывного импульса в широком диапазоне температур.

Осуществление изобретения

Возможность промышленной применимости предлагаемого технического решения подтверждается приведенным ниже примером конкретного осуществления, который поясняет суть заявляемого изобретения. Пример иллюстрирован чертежом, на котором изображена электрическая принципиальная схема прибора.

Взрывной конденсаторный прибор 1 содержит корпус, на поверхности которого размещены выходные зажимы 2 для подключения взрывной цепи 3, зарядные контакты и окна сигнализации (на схеме не показаны). В корпусе прибора 1 размещены источник питания 4 в виде батареи аккумуляторов, ключ питания с магнитоуправляемым контактом 5, преобразователь напряжения 6, конденсатор-накопитель 7 (далее конденсатор 7), электронно-управляемые ключи 8 и 9 формирования взрывного импульса (в качестве которых использованы тиристорные ключи), узел контроля сопротивления взрывной цепи, включающий датчик сопротивления 10, датчик тока 11 и добавочное сопротивление 12, узел 13 контроля напряжения на конденсаторе 7 (далее датчик напряжения 13), узел индикации 14 и блок управления, выполненный на базе процессора 15 со встроенным многоканальным аналого-цифровым преобразователем.

На корпусе прибора 1 выполнено специальное гнездо (не показано) для установки съемного ключа 16, в корпусе которого размещены: постоянный магнит 17 и микропроцессор 18, в памяти которого зашит код программы работы прибора, включающий информацию о необходимых параметрах взрывного импульса. Для связи микропроцессора 18 и процессора 15 прибора использован инфракрасный канал связи 19.

Питание микропроцессора 18 осуществляется бесконтактным способом. Для этого в корпусе прибора 1 установлена катушка индуктивности 20, соединенная с процессором 15. Приемная обмотка 21 размещена в корпусе ключа 16 и подключена к микропроцессору 18 через преобразователь 22 переменного напряжения в постоянное.

На корпусе съемного ключа 16 закреплен упругий элемент, обеспечивающий отжатие установленного в гнезде ключа 16 от стенок корпуса прибора 1 (на чертежах не показано). Упругий элемент может быть выполнен, как в ближайшем аналоге, или иным образом, важно его функциональное назначение - отжимание съемного ключа 16 от корпуса прибора 1.

Электрическая схема прибора реализована на базе интегральных микросхем и полупроводниковых элементов. Количество съемных ключей 16 соответствует количеству видов взрывных цепей, различающихся параметрами.

Взрывной конденсаторный прибор может быть использован для инициирования отдельных детонаторов или цепей из последовательно соединенных электродетонаторов нормальной и пониженной чувствительности, количеством до сотен штук, в шахтах, опасных по пыли и газу, неопасных и на открытых разработках, в строительстве и сейсморазведке.

Прибор используют следующим образом.

Подготовленную и проверенную взрывную цепь 3 подключают к выходным зажимам 2 прибора 1. Съемный ключ 16 с требуемой программой работы, соответствующей параметрам взрывной цепи 3, устанавливают в специальном гнезде на корпусе прибора 1 и прижимают его, прикладывая усилие, достаточное для преодоления усилия упругого элемента на корпусе ключа. При этом под воздействием магнитного поля постоянного магнита 17 ключа 16 замыкается магнитоуправляемый контакт 5, обеспечивая подачу напряжения питания на элементы схемы прибора.

Процессор 15 выдает частотный сигнал, прикладываемый к катушке индуктивности 20 индуктивного источника питания ключа 16. Магнитный поток от катушки индуктивности 20 наводит ЭДС в приемной обмотке 21, которая преобразуется преобразователем 22 в постоянное напряжение питания микропроцессора 18, обеспечивая включение последнего. Необходимая мощность магнитного потока, достаточная для работы микропроцессора 18, достигается при соосном положении обмоток 20 и 21, имеющем место только при прижатии съемного ключа 16 в гнезде прибора 1.

Микропроцессор 18 ключа 16 формирует кодовую посылку на заданной частоте, которая передается по инфракрасному каналу 19 от ключа 16 к прибору 1. Фотоприемник 23 прибора принимает упомянутую кодовую посылку и преобразует ее в электрический сигнал, который, фильтруется узкополосным фильтром 24, и, при соответствии электрического сигнала параметрам фильтра, поступает на вход аналого-цифрового преобразователя процессора 15. Принятая информация сравнивается с эталонной, хранящейся в памяти процессора, после чего процессор 15 запускает необходимую программу работы прибора по инициированию взрывной цепи.

В случае включения питания прибора сторонним магнитом, например, при замыкании контакта 5 ключа питания, вызванном действием обычного магнита, на входе процессора 15 будет отсутствовать информационный код с требуемой программой работы, содержащийся только в съемном ключе, а значит самопроизвольный запуск программы и дальнейшая работа прибора исключены.

В случае санкционированного использования прибора, на основании принятой от микропроцессора 18 съемного ключа 16 кодовой информации процессор 15 разрешает работу преобразователя 6 высокого напряжения, который начинает зарядку конденсатора 7. Нарастание напряжения на конденсаторе 7 контролируется датчиком напряжения 13, который передает снимаемые данные на процессор 15. Процесс нарастания напряжения сопровождается изменением тона звуковой сигнализации, создаваемой по сигналу процессора 15 в блоке индикации 14, благодаря чему обеспечивается информационная связь между прибором и оператором.

Одновременно с остальными процессами осуществляется постоянный контроль сопротивления взрывной цепи 3, осуществляемый при помощи датчика сопротивления 10 и датчика тока 11. Данные измерений передаются на процессор 15, осуществляющий расчет напряжения на конденсаторе 7 и контроль за состоянием взрывной цепи 3.

Когда напряжение на конденсаторе 7 станет достаточным для создания импульса, соответствующего параметрам взрывной цепи 3, (при остальных неизменных показаниях датчиков), замыкается ключ 8, соединяющий конденсатор 7 со взрывной цепью 3. Происходит подача импульса во взрывную цепь.

При достижении током минимального заданного порога происходит срабатывание шунтирующего ключа 9, который замыкает конденсатор 7 на внутреннее сопротивление 25, прекращая выдачу импульса тока во взрывную цепь 3 и обеспечивая быструю разрядку конденсатора 7.

Одновременно с контролем уровня тока процессор 15 отслеживает длительность подачи импульса. Если длительность импульса составила 4 мс, независимо от показаний измерения уровня тока, процессор 15 выдает управляющий сигнал на ключ 9, обеспечивающий быстрый сброс напряжения конденсатора 7 на сопротивление 25. Таким образом, длительность импульса никогда не превышает 4 мс. В результате обеспечивается контроль выдаваемой во взрывную цепь энергии и соответствие прибора требованиям взрывобезопасности.

В случае если ключ 16 плохо прижат в гнезде или отпущен после прижатия, цепь питания микропроцессора 18 прерывается, т.к. мощность магнитного потока между катушками 20 и 21 ослабевает. В результате на входе процессора 15 пропадает кодовый сигнал от микропроцессора 18 ключа 16. В этом случае процессор 15 прерывает зарядку конденсатора 7 и производит его быструю разрядку на внутреннюю цепь.

Процессор 15 выполняет отключение прибора при обрыве или отсутствии взрывной цепи, несоответствии сопротивления взрывной цепи 3 величинам, заложенным в выполняемую программу работы, при прекращении нажима на съемный ключ 16, а также при разряде источника питания 4, что обеспечивает необходимый уровень безопасности работ. Во всех случаях прекращения работы конденсатор 7 разряжается на внутренние цепи прибора.

Claims (6)

1. Взрывной конденсаторный прибор, содержащий корпус с выходными зажимами для подключения взрывной цепи, размещенные в корпусе источник питания, ключ питания с магнитоуправляемым контактом, преобразователь напряжения, к которому подключен конденсатор-накопитель, электронно-управляемые ключи формирования взрывного импульса, узлы контроля сопротивления взрывной цепи и напряжения на конденсаторе-накопителе и блок управления, и по меньшей мере один размещаемый в соответствующем гнезде на корпусе прибора съемный ключ, содержащий упругий элемент, закрепленный на корпусе ключа и отжимающий установленный в гнезде ключ от корпуса прибора, и размещенный в корпусе ключа постоянный магнит, воздействующий на магнитоуправляемый контакт ключа питания при прижатии установленного в гнезде съемного ключа к корпусу прибора с силой, превышающей силу упругого элемента, отличающийся тем, что съемный ключ снабжен микропроцессором, в памяти которого зашит код программы работы прибора, при этом микропроцессор выполнен с возможностью соединения с блоком управления прибора посредством беспроводного канала связи и с возможностью бесконтактного питания от индуктивного источника питания, размещенного в корпусе прибора и соединенного с блоком управления.

2. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что индуктивный источник питания включает соединенную с блоком управления катушку индуктивности, связанную посредством магнитного потока с приемной обмоткой, размещенной в корпусе съемного ключа и подключенной к микропроцессору через соответствующий преобразователь.

3. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что беспроводной канал связи выполнен в виде инфракрасного канала.

4. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен узкополосным фильтром для фильтрации принимаемого от съемного ключа сигнала.

5. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что блок управления выполнен на базе процессора со встроенным многоканальным аналого-цифровым преобразователем.

6. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что код программы работы прибора, зашитый в памяти микропроцессора съемного ключа, включает информацию о необходимых параметрах взрывного импульса.