устройство для определения скорости детонации маломощных детонирующих шнуров типа "волновод" со светопроницаемой оболочкой

Формула изобретения

Устройство для определения скорости детонации маломощных детонирующих шнуров типа “волновод” со светопроницаемой оболочкой, содержащее два фотодатчика, расположенных на фиксированном расстоянии друг от друга, источник питания и хронограф, соединенные между собой, средства крепления волновода между фотодатчиками, инициирующее устройство, причем в качестве фотодатчиков использованы высокочувствительные фототранзисторы, рабочий диапазон которых лежит в области длин волн, соответствующей видимой части электромагнитного спектра (свет), а в качестве хронографа - цифровой электронный измеритель времени, запуск и остановка которого осуществляется сигналами от фотодатчиков, реагирующих на световое излучение проходящего над ними фронта детонационной волны волновода, инициированного при помощи инициирующего устройства, а скорость детонации определяется как средняя скорость прохождения детонационной волной расстояния между фотодатчиками.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для определения скорости детонации маломощных детонирующих шнуров типа "волновод" со светопроницаемой оболочкой.

Существуют оптические методы определения скоростей взрывных процессов, в которых образование кривой “путь - время”, дифференцированием которой получают данные о скоростях процессов, осуществляется движением фотопленки или разверткой свечения взрыва вращающимся зеркалом.

Известны приборы, реализующие указанные методы. Это скоростные фоторегистраторы, работающие в режиме непрерывной развертки, или лупы времени, например приборы, в которых используются безынерционные лампы с постоянной светимостью или лампы-вспышки с изменяющейся во времени интенсивностью светового потока, включаемые импульсами от датчиков положения фронта исследуемого процесса с записью сигналов от ламп на фотобумагу, закрепленную на вращающемся барабане (АС СССР №297924). Весьма существенным недостатком барабанных фоторегистров является малая линейная скорость развертки. Ее значение удается довести до 200 м/сек, однако это связано с серьезными техническими трудностями, т.к. требуются точная балансировка барабана, использование вакуума и т.п. Превзойти эту скорость трудно, т.к. при более высоких скоростях происходит раздавливание эмульсионного слоя и разрушение пленки под действием центробежных сил. Кроме того, подобные приборы содержат весьма сложные по конструкции и громоздкие узлы и детали, в частности сложные прецизионные оптические системы для фокусирования луча света на фотобумагу, сложную систему реле, выключающую лампы постоянного света в определенной последовательности для устранения наложения световой дорожки при повторных оборотах барабана и потери отметки на фотобумаге, сложные схемы поджига ламп-вспышек на импульсных трансформаторах и батареях емкостей; в приборах с вращающимся зеркалом используется узел синхронизации, необходимый для совмещения начала взрыва заряда с определенным положением зеркала относительно пленки, который представляет собой электрическую схему, работающую при напряжении 3000-5000 В; барабан с фотобумагой или зеркало приводятся во вращение при помощи моторов, например асинхронных двигателей, и для точного определения линейной скорости развертки необходимо точно измерить число оборотов барабана или зеркала, для регулирования и стабилизации скорости вращения и для точного измерения числа оборотов необходимо использовать дополнительно специальные методы и сложное оборудование.

Использование таких усложненных приборов сопряжено с неоправданно высокими затратами средств, усилий и времени, что ограничивает применение таких приборов рамками лабораторных испытаний и делает их малопригодными для измерения скорости детонации маломощных детонирующих шнуров типа "волновод" в условиях реального производства. Кроме того, такие приборы не обеспечивают высокой точности измерений (ошибка определения скорости стационарного процесса детонации составляет 1%, а процесса, идущего с переменной скоростью, - 2,5%) из-за наличия комплекса факторов, оказывающих отрицательное влияние на точность измерения. В число этих факторов входят, в частности, инерционность схем поджига ламп-вспышек из-за наличия импульсного трансформатора (или инерционных реле, выключающих лампы постоянного света), невозможность добиться абсолютной балансировки барабана, невозможность добиться абсолютной стабильности скорости вращения барабана или зеркала, погрешность при измерении числа оборотов; поскольку фронт детонации не является точкой, то кривая “путь - время” на фотобумаге имеет размытые края, что существенно влияет на точность измерения следа на фотобумаге в комплексе с погрешностью, которой обладают приборы, при помощи которых осуществляется измерение следа.

Существуют хронографические методы измерения скоростей взрывных процессов, в которых применяются приборы, служащие для измерения коротких промежутков времени (хронографы), регистрирующие промежуток времени, в течение которого исследуемый процесс (детонация, взрыв) проходит через две или большее число фиксированных точек. Скорость процесса при этом рассчитывается как средняя скорость на данном участке.

Известны приборы, реализующие хронографические методы измерения скорости детонации взрывчатых веществ (ВВ), принцип действия которых основан на использовании механических эффектов (механической энергии взрыва ВВ), которыми сопровождается детонация, например метод Дотриша и его усовершенствования - прибор для измерения скорости детонации ВВ (US Patent №3408095), прибор и метод для измерения скорости детонации ВВ (US Patent №3520280) или прибор для измерения скорости детонации ВВ (US Patent №3572095).

Однако эти приборы невозможно применять для определения скорости детонации маломощных детонирующих шнуров типа "волновод", поскольку методы, реализованные в этих приборах, предполагают использование энергии взрыва испытуемого ВВ для механического разрушения (полного или частичного) определенных деталей конструкции этих приборов. При детонации же маломощных шнуров - "волноводов" взрыв ВВ происходит исключительно внутри оболочки волновода, поэтому полностью исключается разрушение энергией взрыва объекта, расположенного на любом расстоянии от тестируемого волновода, вплоть до непосредственного контакта. Таким образом, одним из недостатков указанных приборов является то, что их можно применять для определения скорости детонации лишь относительно мощных, по сравнению с маломощными шнурами типа "волновод", взрывчатых веществ, энергия взрыва которых способна вызвать требуемую степень разрушения объекта, расположенного на определенном расстоянии от тестируемого объема ВВ.

Другим недостатком указанных приборов является, очевидно, то, что они не обеспечивают их многоразовое использование, поскольку разрушенные элементы конструкции требуют полной замены для проведения последующих испытаний.

Кроме того, указанные приборы подвержены влиянию ряда факторов, снижающих точность измерения. Измерения по методу Дотриша и его усовершенствованным вариантам основаны на сравнении определяемой скорости детонации с известной и постоянной скоростью детонации детонирующего шнура. Детонирующий шнур в данном случае играет роль хронографа.

Точность этих методов зависит, прежде всего, от равномерности детонации шнура, точности измерения расстояния между точками, в которых в тестируемый объем ВВ введены отрезки детонирующего шнура (база), т.е. расстояния, на котором фактически измеряется скорость детонации ВВ, от точности измерения расстояния между отметкой середины детонирующего шнура и отметкой места встречи детонационных волн отрезков шнура. Скорость детонации детонирующего шнура определяется с точностью 1,5-2%. База измеряется с точностью до 1 мм, точнее определить это расстояние трудно, так как вполне возможно осыпание ВВ у стенок гнезд. Вследствие того, что отметка встречи детонационных волн фиксируется не очень четко и вполне возможны ошибки при определении середины отрезка шнура, расстояние между отметками середины шнура и места встречи детонационных волн измеряется не очень четко. Возможная ошибка измерения расстояния между отметками равна примерно 2%, а максимальное значение относительной ошибки при определении скорости детонации этими методами равно ±4,5%.

На точность измерения скорости детонации при помощи прибора по US Patent №3572095 в значительной степени влияет то, насколько надежно разрушается металлический внешний рукав прибора (корпус) и насколько надежно происходит закорачивание внутреннего проволочного сопротивления разрушающимся корпусом по мере распространения детонации по заряду испытуемого ВВ; кроме того, точность измерения данным методом невысока из-за того, что для определения скорости детонации производится измерение длины следа электронного луча на экране осциллографа, и к погрешности самого осциллографа (ограниченные быстродействие и разрешающая способность) добавляется погрешность средства, при помощи которого измеряется длина следа луча (визирная шкала на экране электронно-лучевой трубки или другой прибор для измерения расстояния), а также погрешность, связанная с шириной луча осциллограммы.

Известен также прибор для определения скорости детонации ВВ, использующий электромагнитный эффект, которым сопровождается детонация, т.е. регистрирующий электромагнитные волны (радиоволны), излучаемые при распространении детонационной волны по заряду ВВ, - прибор со щелевой антенной для измерения детонации взрывчатого материала (US Patent №3852994). В указанном приборе тестируемый заряд ВВ размещается внутри полого цилиндра с одним открытым концом и инициируется при помощи детонатора; при распространении детонационной волны по заряду ВВ вдоль продольной оси цилиндра имеет место излучение электромагнитных волн на частотах мегагерцевого радиодиапазона, которое улавливается при помощи двух щелей, прорезанных в стенке цилиндра на фиксированном расстоянии друг от друга в направлении продольной оси цилиндра, т.е. по ходу распространения детонационной волны; сигналы, наводимые на стенках щелей, через соответствующую электрическую схему подаются на входы осциллографа, на экране которого эти сигналы отображаются в виде импульсов положительной полярности, и по расстоянию между импульсами на экране осциллографа при выбранном масштабе развертки определяют время прохождения детонационной волной расстояния между щелями в цилиндре, через которое затем рассчитывают скорость детонации, используя известное значение базы (расстояния между щелями).

Такая система непригодна для определения скорости детонации маломощных шнуров типа "волновод", поскольку мощность заряда ВВ в волноводе такова, что при распространении детонации в волноводе эффект излучения радиоволн либо отсутствует, либо мощность этого излучения настолько мала, что его невозможно зарегистрировать при помощи упомянутого прибора со щелевой антенной.

Еще одним весьма существенным недостатком этого прибора является то, что до проведения испытания заранее неизвестно на каких частотах будет иметь место излучение и, тем более, на каких частотах оно будет иметь максимальную мощность. Поэтому в общем случае в стенке цилиндра необходимо иметь прорезанными не одну, а несколько пар щелей, причем каждая из пар настраивается на свою частоту. Настройка щелей осуществляется путем заполнения их диэлектриком, что представляет определенную технологическую сложность, поэтому данный прибор, будучи весьма непрост в настройке, имеет еще и сложное конструктивное исполнение. Однако даже в этом случае нет никакой гарантии, что при детонации будет иметь место электромагнитное излучение хотя бы на одной частоте из тех, на которые настроены пары щелей, и мощность излучения будет достаточной для того, чтобы его можно было зарегистрировать указанным прибором.

Кроме того, точность измерения данным прибором будет невысока из-за того, что время распространения детонационной волны определяется путем измерения расстояния между импульсами на экране осциллографа. Точность измерения в этом случае в значительной степени зависит от быстродействия осциллографа, от его разрешающей способности, от ширины луча на осциллограмме, что в комплексе с погрешностью средства измерения расстояния между импульсами (визирная шкала на экране электронно-лучевой трубки осциллографа или другой прибор для измерения расстояния) и с погрешностью измерения базы (расстояния между щелями) ведет к снижению точности метода и низкой надежности регистрации скорости детонации маломощных детонирующих шнуров типа "волновод".

Целью изобретения является обеспечение возможности точного и надежного определения скорости детонации маломощных детонирующих шнуров типа "волновод" со светопроницаемой оболочкой и создание такой конструкции прибора для измерения скорости детонации маломощных шнуров типа "волновод" со светопроницаемой оболочкой, которая обеспечивала бы высокую точность измерений в сочетании с высокой надежностью и простотой и возможность эффективного использования в реальных производственных условиях.

Указанная цель достигается тем, что скорость детонации маломощного детонирующего шнура определяется путем измерения времени распространения детонационной волны на отрезке волновода фиксированной длины (база) с последующим вычислением средней скорости детонации, причем регистрация времени распространения детонационной волны осуществляется при помощи хронографа, в качестве которого используется высокоточный электронный измеритель времени с цифровым отсчетом, управляемый сигналами датчиков на высокочувствительных фототранзисторах, рабочий диапазон которых лежит в области длин волн, соответствующей видимой части электромагнитного спектра (свет), а сами датчики включаются при прохождении фронта детонационной волны над ними и попадании при этом на их чувствительные фотоэлементы (фототранзисторы) электромагнитного излучения с длинами волн из видимой части электромагнитного спектра (световой эффект), излучаемого при распространении детонационной волны вдоль заряда ВВ внутри волновода, причем сигнал от первого датчика запускает электронный измеритель времени, а сигнал от второго датчика останавливает измеритель.

На фиг.1 изображено устройство для определения скорости детонации маломощных детонирующих шнуров типа "волновод", содержащее металлический швеллер 1, на котором установлены два фотодатчика 2, каждый из которых расположен в металлическом корпусе, содержащем отверстие для волновода 4 и отверстие 5 для прохода светового излучения от фронта распространяющейся детонационной волны на фототранзисторы 6, установленные на печатной плате 7, на которой установлены также остальные элементы электрической схемы фотодатчика; на швеллере 1 установлены также блок питания 8, вырабатывающий постоянное напряжение, необходимое для питания электрических схем датчиков 2, а также зажимы 9 для закрепления волновода между датчиками 2, причем зажимы изображены условно и могут иметь любое конструктивное исполнение, обеспечивающее четкое и надежное крепление волновода 15 между датчиками 2 строго параллельно основанию швеллера 1 и достаточное для удержания волновода в этом положении в процессе его инициирования и распространения по нему детонационной волны при проведении испытания; прибор содержит также инициирующее устройство 11, осуществляющее инициирование испытуемого отрезка волновода (инициирование может осуществляться любым известным и доступным способом, обеспечивающим надежное инициирование волновода, поэтому конкретное конструктивное исполнение инициирующего устройства 11 здесь не принципиально), и электронный измеритель времени 12, включаемый и выключаемый сигналами от датчиков 2 (сигналы управления измерителем поступают от датчиков через коаксиальные кабели 13). Блок питания 8 соединяется с датчиками 2 проводами 14. Способ крепления датчиков 2 на швеллере 1 не принципиален, лишь бы он обеспечивал надежное крепление датчиков таким образом, чтобы расстояние L между центрами отверстий для прохода световых лучей 5 (база) было равно точно заранее выбранному значению. В качестве электронного измерителя времени применяется прибор, осуществляющий отсчет интервалов времени в реальном масштабе с выдачей результата в цифровой форме в десятичном коде.

На фиг.2 изображена блок-схема фотодатчика. Чувствительным элементом, воспринимающим световое излучение при распространении фронта детонационной волны, является фототранзистор 6. Сигнал, вырабатываемый фототранзистором, усиливается усилителем 16 до уровня, которым должен обладать входной сигнал формирователя 17. Формирователь 17 обеспечивает формирование импульса, имеющего форму и амплитуду, необходимые для нормального срабатывания входных цепей электронного измерителя времени.

Устройство работает следующим образом (см. фиг.1). Инициирующее устройство 11 инициирует испытуемый отрезок волновода 15. Фронт детонационной волны, распространяясь по волноводу, проходит над отверстием 5 первого датчика 2. Световое излучение от фронта детонационной волны попадает на фототранзистор 6 (см. фиг.2). Фототранзистор вырабатывает сигнал, усиливаемый усилителем 16 (см. фиг.2), далее сигнал усилителя проходит через формирователь 17 (см. фиг.2). Сигнал с выхода формирователя запускает электронный измеритель времени 12, который начинает отсчет интервала времени. Распространяясь дальше по отрезку волновода, фронт детонационной волны достигает второго датчика 2, световое излучение попадает через отверстие 5 на фототранзистор, и далее происходит процесс формирования импульса и передачи его на вход электронного измерителя времени 12 аналогично описанному выше для первого датчика 2. Сигнал от второго датчика 2 останавливает измеритель, причем на индикаторе измерителя фиксируется в реальном масштабе цифровое значение измеренного интервала времени t, равного времени прохождения детонационной волной расстояния L между датчиками 2 (базы). Искомая средняя скорость детонации рассчитывается по формуле

,

где V - искомая скорость детонации испытуемого отрезка волновода;

L - расстояние между датчиками 2;

t - время прохождения детонационной волной расстояния L (базы) по данным электронного измерителя времени 12.

Стоит также отметить, что расстояние от инициирующего устройства 11 до первого датчика должно быть не менее 30 см, что необходимо для достижения процессом детонации максимальной устойчивости после инициирования ВВ.

Для обеспечения попадания светового излучения от фронта детонационной волны точно на середины светочувствительных зон фототранзисторов размеры отверстий 5 подбираются соответственно.

Путем тщательного подбора элементов электрических схем датчиков 2 по характеристикам (включая фототранзисторы), а также электронного измерителя времени 12 по чувствительности входов можно добиться того, что задержка распространения сигнала от датчика до измерителя будет одинаковой по обоим каналам, тогда погрешность, связанная с инерционностью датчиков и входных цепей измерителя времени, будет скомпенсирована. В этом случае основной погрешностью измерения будет ошибка в измерении базы L, а если учесть, что базу можно измерить очень точно, то измеренная погрешность метода будет мала.