電子控制模塊對(duì)高原環(huán)境適應(yīng)性的研究

［摘 要］ 針對(duì)高原環(huán)境下數(shù)碼電子雷管作用可靠性較差的問(wèn)題，利用52 kPa、-40～15 ℃的低氣壓、高低溫循環(huán)試驗(yàn)研究了低氣壓、高低溫循環(huán)條件對(duì)A（鉭電容）、B（電解電容）、C（電解電容）、D（鉭電容）及E（鉭電容）5種類型電子控制模塊的影響；測(cè)試了5種發(fā)火電容在發(fā)火流程各階段電壓的變化；通過(guò)鉛板法測(cè)試了5種電子雷管在經(jīng)歷低氣壓、高低溫循環(huán)試驗(yàn)后的發(fā)火威力。結(jié)果顯示：52 kPa、

-40～15 ℃的低氣壓、高低溫循環(huán)條件對(duì)A、B、D、E模塊沒(méi)有影響，C模塊出現(xiàn)電容充電不滿情況；對(duì)雷管威力沒(méi)有影響。

［關(guān)鍵詞］ 數(shù)碼電子雷管；發(fā)火電容；電子控制模塊；低氣壓；高低溫循環(huán)

［分類號(hào)］ TJ45+2.3

Adaptability of Electronic Control Modules to High-Altitude Environments

ZHAN Xu①， DUAN Jiarong①， CHI Qiang②， WU Chen③， ZHANG Liang③， Pingcuonima③， LIU Xiaobao①， LI Xin①

①Nanjing Science and Technology Chemical Co.， Ltd. （Jiangsu Nanjing， 211155）

②State-Owned Assets and Laboratory Management， Nanjing University of Science and Technology （Jiangsu Nanjing， 210094）

③Xizang Gaozheng Civil Explosive Co.， Ltd. （Xizang Lhasa， 850014）

［ＡＢＳＴＲＡＣＴ］ The reliability of digital electronic detonators in high-altitude environments is poor. The effects of low pressure， high and low temperature cycling conditions on five types of electronic control modules， A （tantalum capacitor）， B （electrolytic capacitor）， C （electrolytic capacitor）， D （tantalum capacitor）， and E （tantalum capacitor）， were studied at 52 kPa from -40 to 15 ℃. The voltage changes of five types of ignition capacitors in each stage of the ignition process were tested. The ignition powers of the five kinds of electronic detonators were tested by the lead plate method after the cycle test of low pressure and high temperature difference. The results show that the conditions of 52 kPa from -40 to 15 ℃ have no effect on Modules A， B， D， and E， while Module C experiences insufficient capacitor charging. It has no effect on the power of the detonator.

［KEYWORDS］ digital electronic detonator; ignition capacitor; electronic control module; low air pressure; high and low temperature cycling

0 引言

數(shù)碼電子雷管因精準(zhǔn)的延期時(shí)間、優(yōu)化簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、安全可靠的密碼起爆、較少的環(huán)境污染和較低的爆破振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)得到快速發(fā)展。但在發(fā)展和使用過(guò)程中，伴隨的問(wèn)題也逐漸增多，如電子控制模塊在爆炸過(guò)程中易受到?jīng)_擊過(guò)載、電子干擾的影響［1-4］，數(shù)碼電子雷管的延期時(shí)間也常受到環(huán)境溫度的影響［5］等。

工業(yè)和信息化部2018年發(fā)布的《民用爆炸物品行業(yè)技術(shù)發(fā)展方向及目標(biāo)》中指出，到2025年底，我國(guó)工業(yè)雷管技術(shù)將達(dá)到世界先進(jìn)水平，逐步全面升級(jí)換代為數(shù)碼電子雷管，所有工業(yè)雷管全面滿足

全生命周期公共安全管控的要求。

本文中，針對(duì)西藏地區(qū)高海拔、低氣壓、晝夜溫差大等氣候條件，搭建了低氣壓、高低溫循環(huán)試驗(yàn)的平臺(tái)，探究低氣壓、高低溫循環(huán)條件對(duì)電子控制模塊的影響，以期為不同電容類型的數(shù)碼電子雷管的環(huán)境適用性研究提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 原理

工業(yè)數(shù)碼電子雷管是采用電子控制模塊對(duì)起爆過(guò)程進(jìn)行控制的電雷管。電子控制模塊由芯片、電容、開(kāi)關(guān)及PCB板等元器件組成，一定程度上可認(rèn)為，電子雷管性能的好壞取決于電子控制模塊的性能［6］。電子控制模塊中的元器件受溫度影響較大，影響鋁電解電容壽命的主要因素有溫升（焊接溫度、環(huán)境溫度、交流紋波）、過(guò)高電壓、瞬時(shí)電壓、甚高頻或反偏壓等［7］。電子雷管發(fā)火能量由起爆電容進(jìn)行儲(chǔ)存并釋放。

試驗(yàn)中，將電子控制模塊中的起爆電容兩端引出2條線，用示波器采集電容兩端的電壓，判斷低氣壓、高低溫循環(huán)對(duì)起爆電容是否產(chǎn)生影響；通過(guò)測(cè)試橋絲的電阻，判斷低氣壓、高低溫循環(huán)對(duì)橋絲的影響；通過(guò)鉛板試驗(yàn)，判斷低氣壓、高低溫循環(huán)對(duì)雷管發(fā)火威力的影響。

1.2 試驗(yàn)樣品

選用4家企業(yè)生產(chǎn)的電子控制模塊。A模塊采用雙能量回路設(shè)計(jì)，發(fā)火電容為鉭電容。B模塊采用雙能量回路設(shè)計(jì)，發(fā)火電容為電解電容。C、D模塊為同一企業(yè)生產(chǎn)，都為雙能量回路設(shè)計(jì)；C模塊發(fā)火電容為電解電容，D模塊發(fā)火電容為鉭電容。E模塊采用雙能量回路設(shè)計(jì)，發(fā)火電容為鉭電容。

樣品數(shù)量見(jiàn)表1。不含藥頭的電子控制模塊取10發(fā)，在發(fā)火電容兩端引出銀線。A、B模塊樣品藥

頭為外購(gòu)成品藥頭，C、D、E模塊樣品藥頭為自制。試驗(yàn)前，進(jìn)行藥頭匹配性測(cè)試，均合格。

1.3 試驗(yàn)參數(shù)

循環(huán)溫度為-40 ℃至15 ℃，真空度52 kPa。8 h為1個(gè)循環(huán)周期，-40 ℃儲(chǔ)存4 h，15 ℃儲(chǔ)存4 h；一階段樣品在循環(huán)1個(gè)月后進(jìn)行試驗(yàn)，二階段樣品在循環(huán)2個(gè)月后進(jìn)行試驗(yàn)，總儲(chǔ)存時(shí)間為2個(gè)月。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 對(duì)電子控制模塊電阻的影響

為了檢驗(yàn)低氣壓、高低溫循環(huán)對(duì)電子控制模塊電阻的影響，用萬(wàn)用表測(cè)試循環(huán)后的電子控制模塊的電阻，對(duì)比電子控制模塊空白對(duì)照組，每組電子控制模塊取出5發(fā)進(jìn)行電阻測(cè)試。不含藥頭電子控制模塊的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2；含藥頭電子控制模塊的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

從表2可以看出：不含藥頭的E模塊電阻在1個(gè)月的低氣壓、高低溫循環(huán)后出現(xiàn)明顯的降低，變化率為-15.88%；所有不含藥頭的模塊在2個(gè)月的低氣壓、高低溫循環(huán)后均出現(xiàn)電阻增加的現(xiàn)象。

從表3可以看出：含藥頭的模塊在1個(gè)月的低氣壓、高低溫循環(huán)后，電阻未出現(xiàn)明顯的變化；但在2個(gè)月的低氣壓、高低溫循環(huán)后，也出現(xiàn)電阻增加的現(xiàn)象。因此，在經(jīng)過(guò)低氣壓、高低溫模擬儲(chǔ)存一定時(shí)間后，電子控制模塊會(huì)出現(xiàn)電阻增加的情況。

2.2 對(duì)電子控制模塊發(fā)火的影響

為了驗(yàn)證低氣壓、高低溫循環(huán)對(duì)電子控制模塊發(fā)火的影響，用起爆器測(cè)試循環(huán)后的樣品的起爆流程，測(cè)試樣品在低氣壓環(huán)境及常壓環(huán)境發(fā)火的可靠性。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4中：樣品1#為不含藥頭的電子控制模塊；樣品2#為含藥頭的電子控制模塊；樣品3#為不含主裝藥的電子雷管。

從表4中可看出，在經(jīng)過(guò)低氣壓、高低溫循環(huán)1

個(gè)月及2個(gè)月后，樣品發(fā)火情況正常。說(shuō)明低氣壓、高低溫循環(huán)對(duì)電子控制模塊的發(fā)火沒(méi)有影響，滿足西藏地區(qū)的儲(chǔ)存條件，電子雷管在西藏儲(chǔ)存一定時(shí)間后發(fā)火性能不受影響。

2.3 對(duì)電子控制模塊發(fā)火電容的影響

為了檢驗(yàn)低氣壓、高低溫循環(huán)對(duì)電子控制模塊發(fā)火電容的影響，在電子控制模塊發(fā)火電容兩端引出導(dǎo)線，利用示波器采集通訊、起爆過(guò)程中發(fā)火電容兩端的電壓。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1、表5。

從圖1可以看出：低氣壓、高低溫循環(huán)1個(gè)月和2個(gè)月，對(duì)A、B、D和E模塊的發(fā)火電容端電壓沒(méi)有明顯的影響。C模塊出現(xiàn)充電過(guò)程中發(fā)火電容端電壓無(wú)法達(dá)到正常峰值的情況。可能是在循環(huán)試驗(yàn)后，

電解電容內(nèi)部電解液被凍結(jié)，恢復(fù)時(shí)間較短，電容活性不夠，導(dǎo)致電容儲(chǔ)電能力有所降低［8］。

從表5中可以看出，A、C、D模塊在單發(fā)檢測(cè)時(shí)發(fā)火電容會(huì)上電；E模塊單發(fā)檢測(cè)也會(huì)上電，但上電電壓較低，因此忽略不計(jì)。對(duì)于這種情況，可能是A、C、D、E模塊在單發(fā)檢測(cè)時(shí)，為了檢測(cè)電容的好壞，對(duì)電容進(jìn)行了充、放電測(cè)試；B模塊單發(fā)檢測(cè)時(shí)僅對(duì)芯片通訊，而不進(jìn)行發(fā)火電容的檢測(cè)。A模塊在進(jìn)行雷管注冊(cè)時(shí)也會(huì)上電，但峰值電壓比單發(fā)檢測(cè)時(shí)略低。這種情況可以判斷為，A模塊在雷管注冊(cè)時(shí)，同時(shí)對(duì)雷管電容進(jìn)行了相應(yīng)的檢測(cè)。A、B模塊在進(jìn)入起爆流程后會(huì)有一個(gè)發(fā)火電容先上電的過(guò)程，A模塊的上電過(guò)程發(fā)生在開(kāi)始延時(shí)下傳后、按下充電鍵前，發(fā)火電容兩端峰值電壓穩(wěn)定在6 V左右；B模塊的上電過(guò)程發(fā)生在數(shù)據(jù)驗(yàn)證后、按下充電鍵前，發(fā)火電容兩端峰值電壓穩(wěn)定在2 V左右。對(duì)于這種情況，可能是A、B模塊在起爆前對(duì)電容進(jìn)行了提前上電，減少了充電時(shí)間；同時(shí)對(duì)發(fā)火電容再次進(jìn)行了檢測(cè)，確認(rèn)發(fā)火電容的好壞。

2.4 對(duì)數(shù)碼電子雷管起爆能力的影響

為了檢驗(yàn)低氣壓、高低溫循環(huán)對(duì)數(shù)碼電子雷管

起爆能力的影響，對(duì)循環(huán)后的數(shù)碼電子雷管進(jìn)行鉛板試驗(yàn)。

按《工業(yè)雷管鉛板試驗(yàn)方法》［9］，要求雷管位于鉛板中心并垂直，腳線固定在鐵架上。起爆后，測(cè)量鉛板穿孔的最高值及最低值，取平均值。如平均值大于雷管直徑，即認(rèn)為雷管起爆能力合格；雷管不爆、爆炸不完全或鉛板穿孔直徑小于雷管直徑，均為不合格。每種模塊樣品試驗(yàn)15發(fā)，雷管直徑為6.95～7.00 mm。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

從表6可以看出，各電子雷管在經(jīng)過(guò)低氣壓、高低溫循環(huán)后均能炸穿5 mm厚度的鉛板，鉛板穿孔直徑也大于雷管直徑，說(shuō)明電子雷管起爆能力沒(méi)有受到循環(huán)試驗(yàn)的影響。

3 總結(jié)

1）經(jīng)過(guò)低氣壓、高低溫循環(huán)后的電子控制模塊，橋絲處電阻會(huì)發(fā)生一定變化。對(duì)于不同的控制模塊，橋絲直徑不同，橋絲處包裹的藥頭也不同，對(duì)此不能判斷出是何種因素導(dǎo)致藥頭發(fā)生變化。

2）經(jīng)過(guò)低氣壓、高低溫循環(huán)后的電子控制模塊，樣品發(fā)火情況正常，說(shuō)明低氣壓、高低溫循環(huán)儲(chǔ)存對(duì)電子控制模塊的發(fā)火沒(méi)有影響。滿足西藏地區(qū)的儲(chǔ)存條件，說(shuō)明電子雷管在西藏儲(chǔ)存一定時(shí)間后發(fā)火性能不受影響。

3）經(jīng)過(guò)低氣壓、高低溫循環(huán)后的電子控制模塊，A、B、D、E模塊發(fā)火電容兩端的全流程電壓正常，C模塊出現(xiàn)部分發(fā)火電容兩端電壓異常的情況，對(duì)此判斷可能為模塊由低溫環(huán)境取出，電容性能未完全恢復(fù)正常。不同電子控制模塊，在使用時(shí)全流程發(fā)火電容帶電情況不同，若想安全使用電子雷管，應(yīng)知曉發(fā)火電容的帶電過(guò)程，了解使用過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)源。

4）經(jīng)過(guò)低氣壓、高低溫循環(huán)后的電子雷管，起爆能力未受影響，滿足工程需要。

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收稿日期：2023-07-26

第一作者：詹旭（1996—），男，碩士，研究方向?yàn)槊裼帽ㄎ锲返脑O(shè)計(jì)及生產(chǎn)。E-mail：2449035946@qq.com