схема задержки (варианты), устройство преобразования (варианты), детонатор

Формула изобретения

1. Схема задержки, содержащая входной вывод для приема заряда электрической энергии, средство накопления, подсоединенное ко входному выводу для приема и накопления заряда электрической энергии, схему таймера, выходной вывод и коммутационную схему, подключающую средство накопления к выходному выводу для высвобождения энергии, накопленной в средстве накопления, на выходной вывод по сигналу от схемы таймера, причем выходной вывод подсоединен к средству накопления через коммутационную схему, а схема таймера подсоединена к коммутационной схеме для управления высвобождением энергии, накопленной в средстве накопления, на выходной вывод посредством коммутационной схемы, отличающаяся тем, что коммутационная схема выполнена в виде интегральной, диэлектрически изолированной коммутационной схемы, изготовленной по технологии биполярной комплиментарной структуры металл-оксид-полупроводник, содержащей интегральные элементы схемы, диэлектрически изолированные друг от друга, а схема таймера выполнена в виде интегральной схемы, изготовленной по технологии комплиментарной структуры металл-оксид-полупроводник.

2. Схема по п.1, отличающаяся тем, что средство накопления выполнено в виде электрической емкости с емкостью, меньшей, чем примерно 3 мкФ, рассчитанной на напряжение от 50 до 150 В.

3. Схема по п.2, отличающаяся тем, что электрическая емкость выбрана в диапазоне примерно от 0,22 до 1 мкФ, рассчитанной на напряжение от 50 до 150 В.

4. Схема по любому из пп.1 - 3, отличающаяся тем, что она снабжена шунтовым элементом инициирования, подсоединенным к выходному выводу, а средство накопления выполнено в виде электрической емкости с постоянной времени разряда на разрядное полное сопротивление коммутационной схемы менее чем примерно 15 мкс.

5. Схема по п.4, отличающаяся тем, что постоянная времени выбрана в интервале примерно от 0,2 до 15 мкс.

6. Схема по п.5, отличающаяся тем, что постоянная времени выбрана около 2,5 мкс.

7. Схема по п.2 или 3, отличающаяся тем, что коммутационная схема выполнена с разрядным полным сопротивлением, меньшим, чем примерно 15 Ом.

8. Схема по п.7, отличающаяся тем, что коммутационная схема выполнена с разрядным полным сопротивлением в диапазоне примерно от 1 до 5 Ом.

9. Устройство преобразования, содержащее блок преобразования для преобразования импульса ударной волны в импульс электрической энергии, электронный блок, содержащий схему задержки, включающую средство накопления, подсоединенное к блоку преобразователя для приема и накопления электрической энергии из блока преобразователя, схему таймера, коммутационную схему, выходное средство инициирования, подсоединенное к средству накопления через коммутационную схему, для приема энергии от средства накопления и генерирования выходного сигнала инициирования, причем схема таймера подсоединена к коммутационной схеме для управления высвобождением энергии, накопленной в средстве накопления, на выходной вывод посредством коммутационной схемы, а коммутационная схема выполнена с возможностью подключения средства накопления к выходному средству инициирования для высвобождения энергии, накопленной в средстве накопления, на выходное средство инициирования по сигналу от схемы таймера, отличающееся тем, что коммутационная схема выполнена в виде интегральной диэлектрически изолированной коммутационной схемы, изготовленной по технологии биполярной комплиментарной структуры металл-оксид-полупроводник, содержащей интегральные элементы схемы, диэлектрически изолированные друг от друга, а схема таймера выполнена в виде интегральной схемы, изготовленной по технологии комплиментарной структуры металл-оксид-полупроводник.

10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что средство накопления выполнено в виде электрической емкости с постоянной времени разряда на разрядное полное сопротивление коммутационной схемы менее, чем примерно 15 мкс.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что постоянная времени выбрана в интервале примерно от 0,2 до 15 мкс.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что постоянная времени выбрана около 2,5 мкс.

13. Устройство по любому из пп.10 - 12, отличающееся тем, что средство накопления выполнено в виде электрической емкости с емкостью, меньшей чем примерно 3 мкФ, рассчитанной на напряжение от 50 до 150 В, а коммутационная схема выполнена с разрядным полным сопротивлением, меньшим, чем примерно 15 Ом.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что средство накопления выполнено в виде электрической емкости, выбранной в диапазоне примерно от 0,22 до 1 мкФ, рассчитанной на напряжение от 50 до 150 В, а коммутационная схема выполнена с разрядным полным сопротивлением в диапазоне примерно от 1 до 5 Ом.

15. Детонатор, содержащий корпус с открытым и закрытым концами, причем открытый конец корпуса выполнен с размерами и конфигурацией для подсоединения к средству передачи сигнала инициирования, схему задержки, оконечное устройство, подсоединенное к выходному средству инициирования, выходной заряд детонатора, причем средство передачи сигнала инициирования размещено в корпусе для подачи электрического сигнала инициирования на входной вывод схемы задержки, схема задержки размещена в корпусе и содержит входной вывод для приема заряда электрической энергии, средство накопления, подсоединенное к входному выводу, для приема и накопления заряда электрической энергии, таймер, коммутационную схему для подключения средства накопления к выходному выводу для высвобождения энергии, накопленной в средстве накопления, на оконечное устройство по сигналу от схемы таймера, выходной вывод, подсоединенный к средству накопления через коммутационную схему, при этом таймер подсоединен к коммутационной схеме для управления высвобождением энергии, накопленной в средстве накопления, на выходной вывод, отличающийся тем, что коммутационная схема выполнена в виде интегральной диэлектрически изолированной коммутационной схемы, изготовленной по технологии биполярной комплиментарной структуры металл-оксид-полупроводник, содержащей интегральные элементы схемы, диэлектрически изолированные друг от друга, а схема таймера выполнена в виде интегральной схемы, изготовленной по технологии комплиментарной структуры металл-оксид-полупроводник.

16. Детонатор по п.15, отличающийся тем, что средство накопления выполнено в виде электрической емкости с постоянной времени разряда на разрядное полное сопротивление коммутационной схемы менее, чем примерно 15 мкс.

17. Детонатор по п.16, отличающийся тем, что постоянная времени выбрана в интервале примерно от 0,2 до 15 мкс.

18. Детонатор по п.17, отличающийся тем, что постоянная времени выбрана около 2,5 мкс.

19. Детонатор по любому из пп.15 - 18, отличающийся тем, что средство накопления выполнено в виде электрической емкости с емкостью, меньшей, чем примерно 3 мкФ, рассчитанной на напряжение от 50 до 150 В, а коммутационная схема выполнена с разрядным полным сопротивлением, меньшим, чем примерно 15 Ом.

20. Детонатор по п.19, отличающийся тем, что средство накопления выполнено в виде электрической емкости, выбранной в интервале примерно от 0,22 до 1 мкФ, рассчитанной на напряжение от 50 до 150 В, а коммутационная схема выполнена с разрядным полным сопротивлением в диапазоне примерно от 1 до 5 Ом.

21. Детонатор по п.15, отличающийся тем, что средство передачи сигнала инициирования включает конец трубки ударной волны, бустерный заряд и блок преобразователя, заключенные в корпусе и размещенные так, чтобы неэлектрический сигнал инициирования, испускаемый от конца трубки ударной волны, инициировал бустерный заряд, который размещен по отношению к модулю преобразователя так, чтобы между ними осуществлялась силовая связь, при этом блок преобразователя подсоединен ко входному выводу схемы задержки.

22. Схема задержки, содержащая входной вывод для приема заряда электрической энергии, средство накопления, подсоединенное к входному выводу для приема и накопления заряда электрической энергии, схему таймера, выходной вывод и коммутационную схему для подсоединения средства накопления к выходному выводу для высвобождения энергии, накопленной в средстве накопления, на выходной вывод по сигналу от схемы таймера, причем выходной вывод подсоединен к средству накопления через коммутационную схему, а схема таймера подсоединена к коммутационной схеме для управления высвобождением энергии, накопленной в средстве накопления, на выходной вывод, отличающаяся тем, что коммутационная схема выполнена в виде интегральной, диэлектрически изолированной коммутационной схемы, изготовленной по технологии биполярной комплиментарной структуры металл-оксид-полупроводник, содержащей интегральные элементы схемы, диэлектрически изолированные друг от друга, а средство накопления выполнено в виде электрической емкости с емкостью, выбранной в диапазоне, примерно от 0,22 до 1 мкФ, рассчитанной на напряжение от 50 до 150 В, а коммутационная схема выполнена с разрядным полным сопротивлением в диапазоне примерно от 1 до 5 Ом.

23. Схема по п.22, отличающаяся тем, что постоянная времени разряда электрической емкости на полное разрядное сопротивление коммутационной схемы выбрана около 2,5 мкс.

24. Устройство преобразования, содержащее блок преобразователя для преобразования импульса ударной волны в импульс электрической энергии, электронный блок, включающий схему задержки, содержащую средство накопления, подсоединенное к блоку преобразования, для приема и накопления электрической энергии из блока преобразователя, схему таймера, коммутационную схему, выходное средство инициирования, подсоединенное к средству накопления через коммутационную схему, для приема энергии от средства накопления и для генерирования выходного сигнала инициирования, причем схема таймера подсоединена к коммутационной схеме для управления высвобождением энергии, накопленной в средстве накопления, на выходной вывод посредством коммутационной схемы, а коммутационная схема выполнена с возможностью подключения средства накопления к выходному средству инициирования для высвобождения энергии, накопленной в средстве накопления, на выходное средство инициирования по сигналу от схемы таймера, отличающееся тем, что коммутационная схема выполнена в виде интегральной диэлектрически изолированной коммутационной схемы, изготовленной по технологии биполярной комплиментарной структуры металл-оксид-полупроводник, содержащей интегральные элементы схемы, диэлектрически изолированные друг от друга, а средство накопления выполнено в виде электрической емкости, выбранной в диапазоне примерно от 0,22 до 1 мкФ, рассчитанной на напряжение от 50 до 150 В, а коммутационная схема выполнена с разрядным полным сопротивлением в диапазоне примерно от 1 до 5 Ом.

25. Устройство по п.24, отличающееся тем, что постоянная времени разряда электрической емкости на полное разрядное сопротивление коммутационной схемы выбрана около 2,5 мкс.

Описание изобретения к патенту

Это изобретение относится к электронным схемам задержки детонатора.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Электронные схемы для поджига элементов электрического инициирования внутри детонаторов по истечении заданного, электронно-управляемого периода задержки известны. Период задержки измеряется от получения неэлектрического сигнала инициирования, который может также обеспечивать питание для схемы таймера и элемента инициирования. Так, патент США 5133257, выданный Джонссону (Jonsson) 28 июля 1992 , раскрывает систему воспламенения, включающую пьезоэлектрический преобразователь, с возможностью размещения вслед за линией ответвления детонирующего шнура. При детонировании шнура высвобождается энергия в виде ударной волны, которая индуцирует преобразователь вырабатывать электрический импульс. В конденсаторе накапливается электрическая энергия из преобразователя для обеспечения питания таймера. По истечении предварительно определенной задержки таймер позволяет оставшейся энергии, накопленной в конденсаторе, поджигать воспламенительную головку в детонаторе. Воспламенительная головка инициирует взрывчатое вещество, тем самым обеспечивая взрывной выход для детонатора. Аналогичные приспособления представлены в патенте США 5173569, выданном Палланку (Pallanck) и др. 22 декабря 1992; в патенте США 5377592, выданном Роуду (Rode) и др. 3 января 1995 (согласно которому используется конденсатор-накопитель емкостью 3 микрофарад (мкф), рассчитанный на 35 вольт) (см. столбец 7, строки 11-15); и в патенте США 5435248, выданном Роуду (Rode) и др. 25 июля 1995. Как гласит патент США 5435248 в столбце 9, строках 41-50, электронные схемы таких детонаторов обычно формируются в виде единой интегральной схемы ("ИС"), изготавливаемой по технологии комплиментарной структуры металл-оксид-полупроводник ("КМОП"), используемый в сочетании с конденсатором-накопителем емкостью 10 мкф (рассчитанным на 35 вольт) (см. столбец 6, строки 45-52). Схемотехника КМОП отличается низким энергопотреблением и низким тепловым рассеянием.

Воспламенители в виде полупроводникового шунта ("ППШ") известны в технике, что раскрывается в патенте США 4708060, выданном Биксу мл (Bickes Jr) и др. 24 ноября 1987 , который приводит пример использования алюминия для металлизированных контактных площадок ППШ. Воспламенители в виде полупроводникового шунта, где в качестве металлизированных контактных площадок применяется вольфрам, также известны, что раскрывается в патенте США 4976200, выданном Бенсону (Benson) и др. 11 декабря 1990. Полное сопротивление таких устройств, как правило, составляет менее 10 Ом, например около 1 Ом.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к схеме задержки, которая содержит выходной вывод для приема заряда электрической энергии, средство накопления, подключенное к входному выводу для приема и накопления заряда электрической энергии, и интегральную, диэлектрически изолированную коммутационную схему на основе Би-КМОП (биполярная КМОП-структура), подключающую средство накопления к выходному выводу для обеспечения высвобождения энергии, накопленной в средстве накопления, в выходной вывод. Коммутационная схема реагирует на [сигналы] схемы таймера. Выходной вывод подключен к средству накопления через коммутационную схему, и схема таймера в ходе работы подключается к коммутационной схеме для управления высвобождением энергии, накопленной в средстве накопления, в выходной вывод, посредством коммутационной схемы.

Согласно одному аспекту изобретения, средство накопления может включать конденсатор с емкостью менее чем примерно 3 микрофарад, рассчитанный на напряжение от 50 до 150 вольт. Например, конденсатор может иметь емкость в диапазоне, примерно, от 0.22 до 1 микрофарад, рассчитанный на напряжение между 50 и 150 вольт.

Согласно другому аспекту изобретения, схема может дополнительно включать шунтовой элемент инициирования, подключенный к выходному выводу. Средство накопления может иметь емкость, и коммутационная схема может иметь разрядное полное сопротивление. Средство накопления может иметь постоянную времени, выводимую из емкости и разрядного полного сопротивления и составляющую менее чем, примерно, 15 микросекунд. Например, постоянная времени может составлять диапазон, примерно, от 0,2 до 15 микросекунд, например, постоянная времени может составлять, примерно, около 2,5 микросекунд.

Согласно еще одному аспекту изобретения, коммутационная схема может иметь разрядное полное сопротивление меньше, чем, примерно, 15 Ом. Например, коммутационная схема может иметь разрядное полное сопротивление в диапазоне, примерно, от 1 до 5 Ом.

Изобретение также имеет отношение к устройству преобразования и содержит блок преобразователя, электронный блок, содержащий (а) вышеописанную схему задержки с входным выводом, в ходе работы подключаемой к блоку преобразователя, и (6) выходное средство инициирования, в ходе работы подключаемое к выходному выводу схемы задержки для приема энергии из средства накопления и для формирования взрывного выходного сигнала инициирования.

Изобретение, помимо прочего, относится к детонатору, содержащему корпус, имеющий закрытый конец и открытый конец, причем размеры и конфигурация открытого конца приспособлены для подключения к средству передачи сигнала инициирования в корпусе. Согласно описанному выше средство передачи сигнала инициирования передает электрический сигнал инициирования в схему задержки. Средство выхода детонатора размещается в корпусе и функционально связано с средством накопления для формирования выходного сигнала при разряде средства накопления.

Согласно варианту реализации средство передачи сигнала инициирования может содержать заключенные в корпус конец трубки ударной волны, бустерный заряд и блок преобразователя. Эти устройства размещены так, чтобы неэлектрический сигнал, испускаемый из конца трубки ударной волны, инициировал бустерный заряд. Бустерный заряд размещается по отношению к блоку преобразователя таким образом, чтобы между ними осуществлялась силовая связь, и блок преобразователя в ходе работы подключается к входному выводу схемы задержки.

Значение используемого здесь и в формуле изобретения термина "шунтовой элемент инициирования" охватывает воспламенители в виде полупроводникового шунта и воспламенители в виде вольфрамового шунта.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 представлена блок-схема задержки в соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения.

На фиг. 2 представлен вид в перспективе поперечного сечения устройства преобразования - схемы задержки инициирования, включающего электронный блок и муфту совместно с блоком преобразователя.

На фиг. 3А представлен графический вид поперечного сечения детонатора с задержкой, включающего герметизированную электронную схему в соответствии с одним вариантом реализации.

На фиг. 3Б представлен вид, увеличенный по отношению к фиг. 3А, компонентов детонатора, изображенных на фиг. 3А, относящихся к изоляционной крышке и бустерному заряду.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ И ПРЕИМУЩЕСТВЕННЫХ ВАРИАНТОВ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ.

Настоящее изобретение усовершенствует электронные схемы задержки, обеспечивающие большую эффективность переноса электрической энергии от входного вывода к выходному выводу, по сравнению с известными решениями из предшествующего уровня техники. Энергия может использоваться разными путями, например, для инициирования выходного элемента инициирования, например, шунтового элемента инициирования. В результате выходной элемент инициирования, обычно включающий полупроводниковый шунт, может инициироваться меньшей энергией, требуемой для обычных элементов инициирования. Такое повышение эффективности достигается применением коммутационной схемы на основе диэлектрически изолированной биполярной комплиментарной структуры металл-оксид-полупроводник ("ДИ Би-КМОП"), которая предпочтительно включает интегральный коммутационный элемент, например, триодный тиристор ("ТТ"), служащий ключом между средством накопления электрической энергии и выходным выводом для шунтового элемента инициирования. Интегральная схема КМОП может использоваться для отсчета времени в схеме задержки. Напротив, известный уровень техники (например, патент США 5435248) предусматривает использование схемотехники КМОП для выполнения обеих функций: отсчета времени и коммутации в сочетании с дискретным ТТ. Схемный блок настоящего изобретения обеспечивает повышенную эффективность переноса энергии, достигаемую благодаря схеме ДИ Би-КМОП, и низкое энергопотребление, обеспечиваемое схемой КМОП.

Диэлектрически изолированная схема КМОП, используемая в соответствии с настоящим изобретением, может работать при более высоких напряжениях, чем соответствующая схема КМОП, из предыдущего уровня техники. Например, схема Би-КМОП может работать при напряжениях вплоть до, например, 150 вольт, тогда как схемы КМОП обычно ограничиваются напряжением около 50 вольт. Поскольку схема, отвечающая настоящему изобретению, работает в диапазоне, например, от 50 до 150 вольт, это позволяет использовать конденсатор-накопитель меньшей емкости, чем требуется согласно предыдущему уровню техники. В результате схема задержки имеет меньшую постоянную времени (измеряемую в секундах) для разряда конденсатора-накопителя с целью инициирования шунтового элемента инициирования, чем схемы, известные из уровня техники. Постоянная времени может вычисляться как произведение емкости конденсатора-накопителя (в фарадах) и разрядного полного сопротивления схемы (в омах), т.е. полного сопротивления, приложенного к конденсатору коммутационной схемой и шунтовым элементом инициирования во время такого разряда. Разрядное полное сопротивление может быть приближенно выражено в виде суммы полных сопротивлений коммутационного элемента и шунтового элемента инициирования. Меньшая постоянная времени приводит к повышению эффективности переноса энергии от конденсатора к шунтовому элементу инициирования.

Схема в соответствии с настоящим изобретением обычно содержит конденсатор-накопитель, рассчитанный менее чем на 3 микрофарады (мкФ), например, в диапазоне, примерно, от 0,22 до 1 микрофарад при, примерно, от 50 до 150 вольт, тогда как схемы, отвечающие предыдущему уровню техники, используют конденсатор, рассчитанный примерно на 3 мкФ или более (например, согласно патентам США 5377592 (3 мкФ) и 5435248 (10 мкФ)). Далее конденсатор-накопитель схемы в соответствии с настоящим изобретением может видеть разрядное полное сопротивление 15 Ом или менее, например, 5 Ом или даже 1 Ом. Постоянная времени для разряда конденсатора в соответствии с настоящим изобретением является поэтому чрезвычайно малой, например, 15 микросекунд (например, конденсатор емкостью 1 мкФ при разрядном полном сопротивлении коммутационной схемы 15 Ом) или менее, и может быть еще меньше, например, около 0.22 микросекунд (например, конденсатор 0.22 мкФ при разрядном полном сопротивлении 1 Ом). Например, типичная постоянная времени для схемы, отвечающей настоящему изобретению, ожидается примерно 2.5 микросекунды (например, конденсатор 0,5 мкФ при разрядном полном сопротивлении 5 Ом).

Предпочтительно полное сопротивление шунтового элемента инициирования приблизительно равно полному сопротивлению коммутационного элемента, чтобы энергия из конденсатора-накопителя не рассеивалась без необходимости коммутационным элементом в ходе разряда на шунтовой элемент инициирования.

Шунтовые элементы инициирования, т.е. ППШ и вольфрамовые шунты, имеют преимущество над другими элементами инициирования ввиду относительно малой энергии, необходимой им для инициирования, их низкого полного сопротивления (обычно менее 10 Ом, предпочтительно около 1 Ом), их малого времени реакции и превосходных характеристик переноса тепла. ППШ также обеспечивают высокий уровень безопасности и надежности в отношении энергии поджига и граничной энергии. Как обсуждается подробнее ниже, шунтовой элемент инициирования может содержать часть выходного средства инициирования, которое может крепиться к схеме, и выходное средство инициирования содержит часть средства выхода для детонатора.

Электронная схема задержки детонатора в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения схематически иллюстрируется на фиг. 1 с пьезоэлектрическим преобразованием 14 и полупроводниковым шунтом 18. Схема задержки 10 включает разнообразные элементы схемы, которые могут включать в себя дискретные элементы схемы и/или интегральные схемы. Схема задержки 10 включает, например, конденсатор-накопитель 12, служащий средством накопления для устройства, принимая и накапливая заряд электрической энергии от средства сигнала инициирования. Согласно иллюстрируемому варианту реализации, электрический сигнал инициирования поступает от пьезоэлектрического преобразователя 14, вырабатывающего импульс электрической энергии по получении детонационной ударной волны. Детонационная ударная волна может быть получена из детонирующего шнура, размещенного вплотную к преобразователю 14, как предлагается в патенте Джонссона, США 5133257. Альтернативно детонационная ударная волна может быть получена из бустерного заряда, связанного со схемным блоком, что подробнее обсуждается ниже. Энергия, выработанная преобразователем 14, передается в конденсатор-накопитель 12 через управляющий диод 24. Стабилизирующий нагрузочный резистор 16 помещается для разряжения конденсатора-накопителя 12 в случае, когда энергия, накопленная конденсатором 12, не разряжается иным образом схемой задержки 10. Обычно схема задержки детонатора предназначается для инициирования выходного заряда путем разряда конденсатора- накопителя в течение интервала задержки в интервале от 1 миллисекунды до 10 секунд от получения сигнала инициирования. Стабилизирующий нагрузочный резистор 16 выбирается таким, чтобы он разряжал конденсатор-накопитель 12 в течение значительно более продолжительного периода времени, чем ожидаемый интервал задержки. Например, стабилизирующий нагрузочный резистор 16 можно выбрать таким, чтобы он разряжал конденсатор-накопитель 12 в течение пятнадцатиминутного периода времени.

ППШ 18 подключается к выходному выводу коммутационной схемы 20 и, таким образом, в ходе работы подключается к конденсатору-накопителю 12. Работой коммутационной схемы 20 управляет схема таймера 22. Согласно иллюстрации, как коммутационная схема 20, так и схема таймера 22 получают энергию для своей работы из конденсатора-накопителя 12, хотя, согласно альтернативным вариантам реализации изобретения, для подпитки этих схем могут быть предусмотрены отдельные источники питания, например, элементы батареи.

Интегральная коммутационная схема 20 включает регулятор напряжения 26, интегральный триодный тиристор (ТТ) 28 и триггерную схему 30 управляющего сигнала. ТТ 28 функционирует как коммутационный элемент, посредством которого энергия, накопленная в конденсаторе-накопителе 12, поступает на ППШ 18. Работой ТТ 28 управляет триггерная схема 30, которая реагирует на сигнал поджига, выдаваемый схемой таймера 22. Регулятор 26 понижает напряжение, накопленное в конденсаторе 12, для обеспечения подпитки триггерной схемы 30 и схемы таймера 22.

Схема таймера 22 получает подпитку из конденсатора-накопителя 12 через соединительный проводник 32. Схема таймера 22 содержит задающий генератор 34, частота которого частично определяется конденсатором 35 отсчета времени и подбором внешнего резистора 36 отсчета времени. Схема таймера также содержит счетчик 38 и схему 40 сброса по питанию ("СПП"). Получив подпитку от конденсатора-накопителя 12 и регулятора 26, схема СПП 40 запускает задающий генератор 34 и устанавливает счетчик 38 в предварительно определенное состояние сброса. В качестве реакции на импульсы, принимаемые от задающего генератора 34, счетчик 38 осуществляет последовательные отрицательные приращения по отношению к состоянию сброса и, если предварительный интервал отсчитан, счетчик 38 выдает сигнал поджига через соединительный проводник 42 поджига. Сигнал поджига активирует триггерную схему 30, которая активирует ТТ 28. Оставшаяся энергия, накопленная в конденсаторе-накопителе 12, затем разряжается через ТТ 28 на ППШ 18.

Согласно иллюстрируемому варианту реализации, коммутационная схема 20 формируется как интегральная схема Би-КМОП, в которой интегральные элементы схемы диэлектрически изолированы (ДИ) друг от друга. Однако схема таймера 22 является общепринятой интегральной схемой КМОП и потому способна осуществлять свои функции отсчета времени и сигнализации инициирования, получая из конденсатора-накопителя 12 минимальную энергию. Относительно высокое полное сопротивление КМОП-схемы таймера 22 не уменьшает эффективности передачи энергии из конденсатора-накопителя 12 на ППШ 18. Например, при использовании конденсатора емкостью 0,5 мкФ и коммутационной схемы, имеющей разрядное полное сопротивление 5 Ом, коммутационная схема 20 может разряжать 50 микроджоуль (мкДж) (т.е. 0.05 миллиджоуль (мДж)) из конденсатора-накопителя 12 в течение, примерно, от 1 до 3 микросекунд, для инициирования ППШ 18. Схемам, известным из уровня техники, для инициирования шунтового элемента инициирования в течение тех же временных рамках, напротив, требуется, по меньшей мере, 0.25 мДж. См., например, патент США 5309841, выданный Хартману (Hartman) и др. 10 мая 1994 , в столбце 7, строках 10-15 (5 вольт подается на 10 микросекунд) и патент США 4708060, выданный Биксу мл. (Bickes Jr.) и др. 24 ноября 1987, в столбце 6, строках 7-13 (1- 5 мДж). Способность инициировать ППШ 18 столь малым количеством электрической энергии повышает надежность схемы задержки, поскольку уменьшается вероятность того, что коммутационная схема 20 и схема таймера 22 будут разряжать конденсатор-накопитель 12 до такой степени, что по истечении предварительно определенного времени задержки будет невозможно инициировать ППШ 18. Кроме того, меньшие постоянные времени схем в соответствии с заявленным изобретением способствуют более однородной производительности среди аналогично конфигурированных схем.

Также в результате разделения высоковольтной и низковольтной функций схемы задержки между диэлектрически изолированной интегральной схемой Би-КМОП и общепринятой интегральной схемой КМОП, общий размер схемы задержки становится меньше, чем у соответствующих известному уровню техники схем, построенных лишь на основе КМОП, например, показанных в патенте США 5173569, выданном Паллпнку и др. Это уменьшение в размере достигается за счет того, что определенные элементы схемы, которые прежде должны были быть дискретными звеньями, теперь могут быть включены в состав интегральных схем. Например, управляющий диод 24 и ТТ 28 формируются как часть диэлектрически изолированной коммутационной схемы 20, Би-КМОП, тогда как отвечающие предыдущему уровню техники управляющие диоды и ТТ не могли быть включены в состав стандартной схемы КМОП и потому присутствовали как дискретные элементы схемы. Кроме того, поскольку Би-КМОП-узел схемы может работать при более высоких напряжениях, чем схема КМОП, схема задержки может включать меньший конденсатор-накопитель, чем схемы, отвечающие предыдущему уровню техники. Конкретно, конденсатор-накопитель 12 в соответствии с настоящим изобретением может быть конденсатором керамического типа, который меньше, дешевле и легче включается в состав схемы задержки 10, чем конденсаторы-накопители, отвечающие предыдущему уровню техники, которые обычно относятся к спирально-пленочному типу. Уменьшение размеров, имеющее место вследствие разделения функций схемы задержки на узлы КМОП и Би-КМОП, дает возможность включать схемотехнику задержки, отвечающую настоящему изобретению, в состав детонатора, имеющего оболочку стандартного размера для общепринятого детонатора N 8 или N 12, которые обычно имеют цилиндрическую форму и диаметр 0,296 дюймов (0.117 см). Поэтому настоящее изобретение представляет электронный детонатор, который можно использовать совместно с разнообразными общепринятыми взрывчатыми изделиями, например, бустерными зарядами, соединительными устройствами и т.д., которые конфигурируются для детонаторов стандартного размера и представляют пользователю преимущества задержки, имеющей управляемую цифровым образом точность. В детонаторе даже остается место для защитной герметизации схемы, например герметизации 15 (фиг. 2), защищающей схему детонатора от внешней вибрации. Напротив, отвечающие предыдущему уровню техники схемы детонатора с цифровым управлением столь велики, что для них требуются сверхгабаритные оболочки, что препятствует их использованию совместно со многими стандартными взрывчатыми компонентами.

На фиг. 2 представлен вид в перспективе устройства 55 преобразования, включающего электронный блок 54, содержащий схему задержки 10, изображенную на фиг. 1, совместно с выходным средством инициирования 46, присоединенным к ней. Схема задержки 10 включает различные компоненты схемы, включающие схему таймера 22, резистор отсчета времени 36, схему коммутации 20, конденсатор-накопитель 12, стабилизирующий нагрузочный резистор 16 и выходные соединительные проводники 37, обеспечивающие выходной вывод, на который разряжается конденсатор-накопитель 12. Эти разнообразные компоненты монтируются на элементах решетки или дорожках 41 соединительного каркаса и, за исключением выходных соединительных проводников 37, размещаются внутри герметизатора 15. Согласно иллюстрируемому варианту реализации выходное средство инициирования 46 включает, помимо полупроводникового шунта 18 (который подключается параллельно выходным соединительным проводникам 37), заряд инициирования 46a, который предпочтительно содержит мелко размельченное взрывчатое вещество, и оболочку инициирования 46b, запрессованную на суженном участке 44 герметизатора 15, которая удерживает заряд инициирования 46a у полупроводникового шунта 18 таким образом, чтобы обеспечивать перенос энергии. Заряд инициирования 46a предпочтительно запрессовывается в оболочку инициирования 46b до плотности, составляющей менее 80 % его максимальной теоретической плотности (МТП). Предпочтительно ППШ 18 крепится к выходным соединительным проводникам 37 таким способом, который позволяет ППШ 18 выступать внутрь и быть окруженным зарядом инициирования 46a. Альтернативно подобные вещества могут быть приведены в состояние суспензии или вспененной смеси, которую можно наносить на ППШ. Выходное средство инициирования 46 может включать часть средства выхода детонатора и может использоваться, например, для инициирования основного заряда или "выходного" заряда детонатора, в котором размещается устройство 55 преобразования, как описано ниже.

Герметизатор 15 предпочтительно зацепляет муфту 21 только вдоль проходящих продольно выступающих приливов или ребер (которые не видны на фиг. 2) и, таким образом, создает зазор 48 между герметизатором 15 и муфтой 21 в кольцевых участках вокруг герметизатора 15 между ребрами. В качестве альтернативы ребрам герметизатор 15 может быть конфигурирован так, чтобы иметь выступающие утолщения для зацепления внутренней поверхности окружающей муфты или оболочки детонатора, или она может быть многоугольной в поперечном сечении и зацеплять муфту 21 вдоль продольных вершин или кромок, или она может иметь любую другую конфигурацию, эффективную для рассеяния ударных волн, которые могут передаваться схеме вне устройства. В общем случае, подобные конфигурации минимизируют или, по крайней мере, уменьшают поверхностную область контакта между герметизатором 15 и муфтой 21. Кроме того, некоторая часть или весь герметизатор 15 может содержать в себе ударопоглощающее вещество. Альтернативно, герметизатор 15 может содержать ударопоглощающее вещество с возможностью осуществления полного контакта с муфтой 21.

Согласно иллюстрируемому варианту реализации, герметизатор 15, при желании, образует вырезы 50, открывающие доступ к испытательным соединительным проводникам 52, но, предпочтительно, позволяющие соединительным проводникам оставаться внутри профиля поверхности герметизатора 15, т.е. соединительные проводники предпочтительно не проходят в зазор 48. Если вырезы 50 не предусмотрены, но, по преимуществу, испытательные соединительные проводники не проходят через зазор 48 и не контактируют с окружающим ограждением. Соответственно, до размещения электронного блока (который заключает в себе разнообразные элементы схемы, выходное средство инициирования 46 и герметизатор 15) в муфту 21, соединительные проводники, например, соединительный проводник 52 может быть доступен для проверки собранной схемотехники.

Затем электронный блок 54 можно помещать в муфту 21, и соединительные проводники 52 не будут контактировать с муфтой 21.

Электронный блок 54 выполнен так, чтобы выходные соединительные проводники 37 и входные соединительные проводники инициирования 56, через которые может заряжаться конденсатор-накопитель 12, выступают из соответствующих противоположных концов электронного блока 54. Модуль 58 преобразователя включает пьезоэлектрический преобразователь 14 и два соединительных проводника переноса 62, заключенных в герметизатор 64 преобразователя. Герметизатор 64 преобразователя имеет такие размеры и конфигурируется так, чтобы зацеплять муфту 21, чтобы блок 58 преобразователя мог крепиться к одному концу муфты 21, и при этом соединительные проводники 62 входили в контакт со входными соединительными проводниками 56. Предпочтительно герметизация 15, муфта 21 и герметизатор 64 преобразователя имеют такие размеры и конфигурируются так, чтобы в результате сборки, показанной на фиг. 2, между герметизатором 15 и герметизатор 64 преобразователя создавался воздушный зазор, указанный под номером 66. Таким образом, электронный блок 54, по крайней мере, частично ограждается от детонационной ударной волны, которая побуждает пьезоэлектрический преобразователь 14 формировать электрический импульс, инициирующий электронный блок 54. Давление, оказываемое подобной детонационной ударной волной, переносится через блок 58 преобразователя на муфту 21, что указано стрелками 68, в большей степени, чем на электронный блок 54.

В отличие от схем задержки детонатора в соответствии с предыдущим уровнем техники, в которых различные сборки и элементы схемы монтировались на полимерной или керамической подложке по типу "кристалл на плате", интегральные схемы и схемные элементы схемы задержки 10 можно монтировать непосредственно на металлических дорожках 41 соединительного каркаса. Эта процедура сборки дешевле процедур, отвечающих предыдущему уровню техники, и уменьшает размер схемы задержки, упрощает процесс интеграции и обеспечивает надежную герметизацию, обеспечивающую лучшую защиту.

На фиг. 3А изображен один вариант реализации детонатора 100 с цифровой задержкой, содержащий электронный блок, в соответствии с настоящим изобретением. Детонатор 100 с задержкой включает корпус 112, который имеет открытый конец 112a и закрытый конец 112b. Корпус 112 выполнен из электропроводного материала, обычно алюминия, и предпочтительно имеет размер и форму общепринятых капсюлей-взрывателей, т. е. детонаторов. Детонатор 100 содержит средство передачи сигнала инициирования для доставки электрического сигнала инициирования на схему задержки. Средство передачи сигнала инициирования может просто включать линию передачи сигнала инициирования, которая может непосредственно подключаться к входному выводу надлежащим образом конфигурированной схемы задержки в соответствии с настоящим изобретением. Предпочтительно, однако, детонатор используется как часть неэлектрической системы, и средство передачи сигнала инициирования включает конец линии передачи неэлектрического сигнала (например, трубки ударной волны) и преобразователь для преобразования неэлектрического сигнала инициирования в электрический сигнал, как описано здесь. Согласно иллюстрируемому варианту реализации детонатор 100 с задержкой подключается к средству неэлектрического сигнала инициирования, которое включает, в иллюстрируемом случае, трубку ударной волны 110, подзаряд 120 и блок 58 преобразователя. Следует понимать, что помимо трубки ударной волны, в качестве линии передачи неэлектрического сигнала можно использовать детонирующий шнур, детонирующий шнур низкой энергии, трубку низкоскоростной ударной волны и т.п. Специалистам хорошо известно, что трубка ударной волны содержит пустотелый пластиковый трубопровод, внутренние стенки которого покрыты взрывчатым веществом таким образом, чтобы после воспламенения ударная волна низкой энергии распространялась по трубке. См., например, патент США 4607573, выданный Тьюрсону (Thureson) и др., 26 августа 1986 . Трубка ударной волны 110 крепится в корпусе 112 втулкой 114 переходника, которая охватывает трубку 110. Корпус 112 обжимается на втулке 114 в местах обжима 116, 116a для закрепления трубки ударной волны 110 в корпусе 112 и образования между корпусом 112 и внешней поверхностью трубки ударной волны 110 уплотнения, защищающего от воздействия окружающей среды. Сегмент 110a трубки ударной волны 110 проходит внутрь корпуса 112 и заканчивается концом 110b, расположенным в непосредственной близости от антистатической изоляционной крышки 118 или встык с ней.

Изоляционная крышка 118 имеет тугую посадку внутри корпуса 112 и изготовлена из полупроводникового вещества, например, полимерного вещества с углеродным наполнением, с целью формирования проводящего пути заземления от трубки ударной волны 110 к корпусу 112, для рассеивания любого статистического электричества, которое может проходить по трубке ударной волны 110. Подобные изоляционные крышки хорошо известны в технике. См., например, патент США 3981240, выданный Гладдену (Gladden) 21 сентября 1976. Бустерный заряд 120 низкой энергии располагается вблизи антистатистической изоляционной крышки 118. Как лучше видно на фиг. 3Б, антистатистическая изоляционная крышка 118 включает, как известно в технике, в общем случае, цилиндрический корпус (который обычно имеет вид усеченного конуса, больший диаметр которого обращен к открытому концу 112a корпуса 112), который делится тонкой, разрушаемой мембраной 118b на впускную камеру 118a и выпускную камеру 118c. Конец 110b трубки ударной волны 110 (фиг. 3А) входит внутрь впускной камеры 118a (трубка ударной волны 110 не показана на фиг. 3Б для ясности иллюстрации). Выпускная камера 118c обеспечивает воздушный промежуток или дистанцию между концом 110b трубки ударной волны 110 и бустерным зарядом 120, которые размещаются в взаимодействии к друг другу для осуществления переноса сигнала.

В ходе работы сигнал ударной волны, испускаемый от конца 110b трубки ударной волны 110, разрушает мембрану 118b, пересекает дистанцию, обеспечиваемую выпускной камерой 118c, и инициирует бустерный заряд 120.

Бустерный заряд 120 содержит малое количество первичной взрывчатки 124, например азида свинца (или подходящего вторичного взрывчатого вещества, например, BNCP), которое размещается внутри оболочки 132 бустера и поверх которого размещается первый элемент 126 (не показан на фиг. 3А для простоты иллюстрации). Первый амортизирующий элемент 126, имеющий кольцеобразную конфигурацию за исключением тонкой центральной мембраны, располагается между изоляционной крышкой 118 и взрывчаткой 124 и служит для защиты взрывчатки 124 от давления, оказываемого на нее в ходе изготовления.

Изоляционная крышка 118, первый амортизирующий элемент 126 и бустерный заряд 120 могут удобно монтироваться в оболочке 132 бустера, как показано на фиг. 3Б. Внешняя поверхность изоляционной крышки 118 находится в проводящем контакте со внутренней поверхностью оболочки 123 бустера, которая, в свою очередь, находится в проводящем контакте с корпусом 112, чтобы обеспечивать цепь электрического тока для любого статического электричества, разряжаемого от трубки ударной волны 110. Обычно оболочка 132 бустера вставляется в корпус 112, и корпус 112 обжимается, чтобы удерживать в себе оболочку 132 бустера, а также чтобы защищать содержимое корпуса 112 от окружающей среды.

Непроводящий буфер 128 (не показан на фиг. 3А для облегчения иллюстрации), который обычно имеет толщину 0.015 дюйма (0.038 см), располагается между бустерным зарядом 120 и блоком 58 преобразователя для электрической изоляции блока 58 преобразователя от бустерного заряда 120. Блок 58 преобразователя содержит пьезоэлектрический преобразователь (не показан на фиг. 3А), который размещается по отношению к бустерному заряду так, чтобы обеспечивать силовую связь, и потому может преобразовывать выходную силу бустерного заряда 120 в импульс электрической энергии. Блок 58 преобразователя в ходе работы подключается к электронному блоку 54, как показано на фиг. 2. Средство передачи сигнала инициирования, содержащее сегмент 110b трубки ударной волны, бустерный заряд 120 и блок 58 преобразователя, осуществляет доставку на схему задержки 10, в электрической форме, неэлектрического сигнала инициирования, принятого через трубку ударной волны 110, что описывается ниже.

Ограждение, обеспечиваемое детонатором 100, включает в себя, помимо корпуса 112, по желанию стальную муфту 21 с открытыми концами, который ограждает электронный блок 54. Электронный блок 54 содержит на своем выходном конце выходное средство инициирования 46 (показано на фиг. 2.), содержащее часть средства выхода для детонатора. Вблизи выходного средства инициирования электронного блока 54 размещается второй амортизирующий элемент 142, подобный первому амортизирующему элементу 126. Второй амортизирующий элемент 142 отделяет выходной конец электронного блока 54 от остальной части средства выхода детонатора, включающей выходной заряд 144, который запрессовывается в закрытый конец 112b корпуса 112. Выходной заряд 144 содержит вторичную взрывчатку 144b, чувствительную к выходному средству инициирования электронного блока 54 и имеющую достаточную ударную мощность для детонирования бустерного взрывчатого вещества динамита и т.п. Выходной заряд 144 может, при желании, содержать относительно малый заряд первичной взрывчатки 144a для инициирования вторичной взрывчатки 144b, но можно избежать использования первичной взрывчатки 144a, если заряд инициирования электронного блока 54 имеет достаточную выходную силу для инициирования вторичной взрывчатки 144b. Вторичная взрывчатка 144b имеет достаточную ударную мощность, чтобы разрушить корпус 112 и детонировать бустерное взрывчатое вещество, динамит и т.д., размещенные в достаточной для передачи сигнала близости к детонатору 100.

В ходе использования неэлектрический сигнал инициирования, распространяющийся по трубке ударной волны 110 на конец трубки 110b, разрушает мембрану 118b изоляционной крышки 118 и первый амортизирующий элемент 126 для активирования бустерного заряда 120 путем инициирования первичной взрывчатки 124. Первичное взрывчатое вещество 124 генерирует детонационную ударную волну, которая прикладывает выходную силу на пьезоэлектрический генератор в блоке 58 преобразователя. Пьезоэлектрический генератор располагается относительно бустерного заряда 120 так, чтобы обеспечивать силовую связь, и, таким образом, преобразует выходную силу в электрический выходной сигнал в виде импульса электрической энергии, принимаемой электронным блоком 54. Как указано выше, электронный блок 54 накапливает импульс электрической энергии и после предварительно определенной задержки высвобождает или передает энергию на средство выхода детонатора. Согласно иллюстрируемому варианту реализации, заряд высвобождается на выходное средство инициирования, которое инициирует выходной заряд 144. Выходной заряд 144 разрушает корпус 112 и испускает выходной детонационный сигнал, который может использоваться для инициирования других взрывных устройств, что хорошо известно в технике.

Хотя изобретение было подробно описано со ссылкой на частные варианты его реализации, по прочтении и понимании вышеизложенного могут быть созданы многочисленные видоизменения описанных вариантов реализации, и эти видоизменения подлежат включению в объем прилагаемой формулы изобретения. Например, хотя смешанная схема таймера и коммутатора, в соответствии с настоящим изобретением, проиллюстрирована выше в варианте реализации, приспособленного для использования в детонаторе, соединенном с линией передачи неэлектрического сигнала инициирования (например, трубке ударной волны 110), следует понимать, что изобретение также может быть осуществлено с детонаторами, с линиями передачи электрического сигнала.