Датчик измерения скорости детонации Российский патент 2024 года по МПК G01P3/36 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к измерениям электрических и магнитных величин, а именно для измерения или индикации электрических величин и может быть использовано для измерения скорости детонации при выполнении научно-исследовательских и промышленных работ.

Уровень техники

Известен аналог устройство для определения скорости детонации заряда взрывчатого вещества (варианты), описанный в патенте RU № 110 191, опубл. 10.11.2011, бюл. № 31. Сущность полезной модели заключается в том, что устройство для определения скорости детонации зарядов взрывчатых веществ в оболочке, состоящее из проводника детонационного импульса и хронографа, оно дополнительно содержит соединительный кабель, в качестве хронографа - цифровой одно- или многоинтервальный электронный измеритель времени, в качестве проводника детонационного импульса - волноводы неэлектрической системы взрывания равной длины, введенные в заряд взрывчатого вещества перпендикулярно его продольной оси на фиксированных расстояниях друг от друга; в качестве датчиков используются электроконтактные датчики, срабатывающие на «замыкание», размещаемые внутри каналов волноводов на их концах на заданном расстоянии друг от друга и подсоединенные через электрический кабель к цифровому одно- или многоинтервальному электронному измерителю времени, запуск и остановка которого осуществляется сигналами от датчиков, замыкающихся при прохождении по волноводу фронта ударной волны, а скорость детонации заряда взрывчатого вещества рассчитывается, исходя из длины базы и промежутка времени срабатывания электроконтактных датчиков, по формуле:

где DBB - скорость детонации заряда взрывчатого вещества, м/с;

LBB - длина участка заряда взрывчатого вещества (база) между центрами установки волноводов, м;

Δτ - интервал времени срабатывания двух смежных электроконтактных датчиков на концах волноводов, установленных на измерительной базе, с.

Недостатком данной полезной модели является то, что так называемые в реферате «фиксированные расстояния в заряде взрывчатого вещества» тяжело обеспечить, что может привести к погрешности при измерении скорости детонации, кроме того применение электроконтактных датчиков допускает возможность незамыкания чувствительного элемента.

Известен прототип корпусной оптический датчик, описанный в патенте RU № 195 548 U1, опубл. 31.01.2020, бюл. №4. Сущность полезной модели заключается в том, что корпусной оптический датчик относится к измерительной технике и может быть использован для контроля скорости распространения детонации при испытаниях изделий, содержащих взрывчатое вещество (ВВ). Заявленный корпусной оптический датчик для определения скорости детонации выполнен в виде основания с отверстиями, поверх которых уложено оптическое волокно.

Недостатком данного корпусного оптического датчика является то, что во время взрыва и распространения детонации в объёме заряда взрывчатого вещества, формируется не только значительный подъём давления и температуры, но и формирование светового воздействия (вспышки), который может проникать сквозь приграничные к оптоволокну слои ВВ, тем самым искажая точность измерения.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание датчика обеспечивающего высокую точность измерения скорости детонации.

Технический результат изобретения заключается в повышении точности измерения скорости детонации.

Технический результат достигается тем, что в датчике измерения скорости детонации, включающем в себя кабель оптоволоконный, датчик измерения представляет собой печатную плату, на которой способом химического травления изготовлены следующие элементы: фиксатор проводов, разъем подключения, контактные площадки компонентов, чувствительные элементы датчика.

Краткое описание чертежей

Датчик измерения скорости детонации изображен на фиг. 1 и представляет собой печатную плату (1) на которую способом химического травления наносят следующие элементы: фиксатор проводов (2), разъем подключения (3), контактные площадки компонентов (4), чувствительные элементы датчика (5). На тыльную сторону датчика вклеен, кабель оптоволоконный. Внешний вид готового датчика представлен на фиг. 2, на фиг. 3 показано графическое представление исходного сигнала y[i]. Дифференцирование сигнала показано на фиг. 4, сравнение дифференциального сигнала с пороговым на фиг. 5, блок-схема алгоритма представлена на фиг. 6, испытательная схема изображена на фиг. 7, графики измерения скорости детонации показаны на фиг. 8.

Осуществление изобретения

Работает датчик следующим образом:

При возникновении детонации во взрывчатом веществе (в которое установлен датчик), в результате высокоскоростного взрывчатого превращения возникает фронт детонационной волны, создающей в объеме вещества свободные ионы. При распространении детонации в объёме вещества вдоль датчика, ионы воздействуют на чувствительные элементы датчика (5), расположенные на печатной плате (1). Волна ионов распространяющаяся в осевом направлении движения фронта ударной волны уменьшает расстояние электрического пробоя между чувствительными элементами датчика, тем самым создается возможность шунтирования элементов на датчике, затем сигнал проходит через измерительную схему, расположенную на контактных площадках компонентов (4) и далее через разъём подключения (3) уходит по проводам, закреплённым при помощи фиксатора проводов (2) на измерительную аппаратуру.

Внешний вид готового датчика представлен на фиг 2.

Сигнал, получаемый с датчиков в составе экспериментальной установки, обрабатывается с помощью специального алгоритма.

На фиг. 3 показано графическое представление исходного сигнала y[i].

Дальнейшие действия по обработке сигнала включают в себя следующие этапы:

1. Дифференцирование сигнала (фиг. 4).

(1)

где Δt – время одного такта

2. Сравнение дифференциального сигнала с пороговым значением, которое выше уровня шумов квантования, и переходим в нормированный вид (фиг. 5), т.е.

(2)

то

(3)

иначе

(4)

3. При фиксируется время:

(5)

и вводится задержка по входу на N тактов, характерное минимально возможной задержке ионизационной волны между ступенями датчика (порядка 1 мкс для датчика, токопроводящие дорожки которого расположены вдоль нормали фронта распространения детонационной волны):

(6)

4. При n>N продолжается считывание значений dy_i.

5. Пункты 3 и 4 повторяются (M-1) раз, где M – количество «ступеней» в датчике.

6. Находятся интервалы между импульсами

(7)

7. Находится скорость распространения детонационной волны:

(8)

где d_М - разность длин двух соседних ступеней.

Блок-схема алгоритма, осуществляющего описанные выше действия представлена на фиг. 6.

Подбор величины сопротивления резисторов датчика определяется следующими условиями. Минимальное общее сопротивление датчика определяется напряжением питания, мощностью резисторов и током разряда аккумуляторов, питающих датчик. Слишком большое сопротивление резисторов датчика приводит к увеличению постоянной времени цепи и, как следствие, к завалам фронтов импульсов и ошибкам в определении точного времени прихода детонационной волны. Так же необходимо, чтобы приращение напряжения после каждого шунтирования резистора датчика было одинаковое, формула (10).

где n – количество шунтируемых резисторов на датчике;

E – входное напряжение питания;

– начальное выходное напряжение датчика;

– выходное сопротивление датчика;

– приращение напряжение при шунтировании резистора на датчике.

Резистор выбирается исходя из предельной мощности рассеиваемой на сопротивлениях датчика. Начальный ток протекающий через все сопротивления определяется формулой:

Соответственно мощность рассеивания на выходном резисторе:

Решая системы уравнений (9) и (10) найдем соотношение сопротивлений резисторов датчика для n = 9:

Резисторы подбираются из ряда номинальных сопротивлений учитывая соотношения, полученные в формуле (13).

Сущность заявленного изобретения поясняется следующими примерами:

Пример №1

Изготовлено два заряда, при этом центральные каналы зарядов снаряжались разными по составу взрывозажигательными составами, а периферийный слой в обоих случаях был изготовлен из ТГ-40 (смеси тротила и гексогена). В оба заряда было помещено по два датчика, по одному во взрывозажигательные составы и по одному в ТГ-40. Стоит отметить, что заряды изготавливались при помощи заливки расплава ТГ-40 и засыпки взрывозажигательных составов в формы, в которых датчики были предварительно размещены. При этом эталонным веществом для измерения скорости детонации являлся ТГ-40.

Затем было произведено два параллельных опыта по определению скорости детонации, по испытательной схеме, изображённой на фиг. 7, где:

Заряд, с установленными датчиками измерения скорости детонации, инициировался дистанционно, в результате взрыва распространялась возникал фронт детонационной волны, создающей в объеме вещества свободные ионы. При распространении детонации в объёме вещества вдоль датчика, ионы воздействовали на чувствительные элементы датчика и датчик отправлял сигнал на коммутатор, а затем на осциллограф, на котором сигнал уже преобразовывается в конкретное значение скорости. При этом на фиг. 7 видно, что от датчика отходит 3 провода, где: первый провод – питание от аккумулятора, второй провод – заземление, третий провод – непосредственно для сбора данных.

По результатам проведения опытов получены графики измерения скорости детонации (фиг. 8). Из графиков видно, что полученные значения скорости детонации в эталонном взрывчатом веществе ТГ-40 в разных зарядах измерены с минимальной погрешностью относительно друг друга.

Изобретение относится к области измерений электрических и магнитных величин. Датчик измерения скорости детонации содержит кабель оптоволоконный, при этом датчик измерения представляет собой печатную плату, на которой способом химического травления изготовлены следующие элементы: фиксатор проводов, разъем подключения, контактные площадки компонентов, чувствительные элементы датчика. При этом параметры резисторов определяются соответствующим образом. Технический результат – повышение точности измерения скорости детонации. 8 ил.

Датчик измерения скорости детонации, включающий в себя кабель оптоволоконный, отличающийся тем, что датчик измерения представляет собой печатную плату, на которой способом химического травления изготовлены следующие элементы: фиксатор проводов, разъем подключения, контактные площадки компонентов, чувствительные элементы датчика, при этом подбор величины сопротивления резисторов датчика определяется следующим образом:

,

где – количество шунтируемых резисторов на датчике;

– входное напряжение питания;

– начальное выходное напряжение датчика;

– выходное сопротивление датчика;

– приращение напряжения при шунтировании резистора на датчике,

резистор выбирается исходя из предельной мощности, рассеиваемой на сопротивлениях датчика,

начальный ток, протекающий через все сопротивления, определяется формулой:

,

мощность рассеивания на выходном резисторе определяется следующим образом:

.