Ударный электрический замыкатель

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИКГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) 1(71) Всесоюзный научно-исследовательский институт зкотериментапьной физики(68) Митчелл Неллис Диагностическая системадля двухступенчатой легкогазовой пушкиПриборыдля научных исследований, 1981, й 3, с 18,Килер Р, Ройс Е Физика высоких втотностейэнергии/ПОд рОд П,Кальдиролы и ГКнопфелаМ;Мир, 1974, с 72,(64) УДАРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАЫЫКАТЕЛЬ(67) Использование: измерение йараметров волнового поля, в частности регистрация момента прихоО 9) Ж Он 3732194 (в) А 1(51) б Н 01 Н 9 00 да ударной волны. Сущность изобретенил: в металлическом цилиндричебсом"корпусекоаксйапьйо с ним установлены металлический стержень и диэлектрическая втулка. На дне корпуса расположена диэлектрическая прокладка отделенная от втулки зазором, содержащим порошок алюминия йасыпной плотности, размер частиц которого выбран из соотношения 0,33д3./Ч, где- расстояние между боковой поверхностью стержня и стенкой корпуса, мкм, д - средний размер частиц, мкм, Ч - коммутируемое напряжение, Положительный эффект - возможность регистрации параметров"вбпн сжатия в широком диапазоне давлений Р - 10 при времейи срабатывания т 5 0,1 мкс 1 ил.Изобретение относится к средствамкоммутации, в частности к электрическимКонтактам и может быть использовано дляизмерения параметров волнового поля, вчастности для регистрации повышения давления, например, в результате соударениятел и привода ударной волны (УВ),Известен ударный электрический замыкатель, включающий металлический корпус,заполненный непроводящей текучей средой. Внутри корпуса расположена спиральная пружина, установленная свозможносТью поступательного перемещения к стенке корпуса, действующая в качестве полюса замыкателя. При ударе виткипружины соприкасаются со стенками корпуса, обеспечивая замыкание в электрическойцепи.Известное устройство имеет слишкомбольшое время срабатывания (время от момента удара до замыкания цепи)1 с.Кроме того, оно сложное и громоздкое.Известен ударный электрический замыкатель, включающий металлический замыкатель, включающий металлическийобразец, сквозь который проходит УВ диэлектрическую пленку на поверхности образца и металлический стержень,опирающийся на поверхность пленки.УВ переводит диэлектрическую пленкув токопровадящее состояние. в-результатечего происходит замыкание стержня на образец,е. К недостаткам данного устройства относятся ограниченная обйасть использования,поскольку для обеспечения перевода плен ки в токопроводящее состояние (а следовательно, срабатывания замыкателя)необходимы достаточно большие амплитуда и длительность импульса давления. Придавлении за фронтом УВ Р10 ГПа "время: срабатйвания резко увеличивается с уменьшением давления. При давлении Р 1 ГПавремя срабатывания к1 мкс, Поэтомуданный замыкатель используют только придавленйи Р10 ГПа.Наиболее близким по технической сущйости и достигаемому результату к заявляемому является ударный электрическийзамыкатель (коаксиальный самозакорачивающийся зонд), Известный замыкатель со - держит двавыводных проводника в видекоаксиально расположенных стержня и цилиндрического корпуса, дно которого выполнено с воэможностью поступательногоперемещения к основанию стержня, диэлектрйческую втулку, заполняющую зазормежду боковой поверхностью стержня истенкой корпуса; и диэлектрическую про кладку, выполненную из материала, чувствительного к ударному воздействию. заполняющую зазор между основанием стержня и дном корпуса, Электрическая прочность прокладки уменьшается под воздействием УВ, в результате происходит замыкание стержня надно корпуса,Недостатком данного устройства является относительно большое время срабатывания и высокий порог чувствительности по 10 давлению (на дно корпуса) Р1 ГПа. При Р=10 ГПа время срабатывания быстро уве-. личивается с уменьшением давлейия т0,1 мкс при Р ф:ф 10 ГПа, т1 мкс при Р = 5 ГПа). Если же давление заметно уменьшится в течение времени, меньшего чем время сра 15 батывания, замыкания не происходит. Указанные недостатки приводят к тому,что известное устройство используют толь 20 ко при давлении Р10 ГПа. Целью изобретения является расшире. ние диапазона действующих усилий за счетснижения порога чувствительности Замыкателя и уменьшения его времени срабатывания (инерционности). Укаэанная цель достигается тем, что в известном устройстве включающем два вы ходных проводника в виде коаксиально рас 30 положенных стержня и цилиндрического корпуса, дно которого выполнено с воэможностью поступательного перемещения к основанию стержня, диэлектрическую втулку, заполняющую зазор между боковой поверскую прокладку, выполненную - йз материала, чувствительного к ударному воздействию, заполняющую зазор между основанием стержня и дном корпуса, по основанию втулки выполнен зазор, запол 40 ненный порошком алюминия насыпной плотности, размер частиц которого удовлетворяет соотношению: 45 0,33д/Ч,где д - средний размер частиц порошка; мкм;. - расстояние между боковой поверхностью стержня и стенкой корпуса, мкм;Ч - коммутируемое напряжение. В.Сравнение заявляемого технического решения с другими, известными в данной области науки и техники, показало следующее. Использование в качестве проводящего материала алюминия известно. Однако известный проводник не может быть применен в заявляемом устройстве, условие надежного срабатывания которого основано 50 55 35 хностью и стенкой корпуса, и диэлектричена отсутствии проводящих свойств до момента воздействия давления,Известно использевание в качестве частиц 50 - 2000 А.Однако данный материал также непри- годен к использованию в составе заявляемого устройства, так как в диапазоне 10 воздействующих усилий при (Р10 ГПа) не обладает свойством резкого снижения электрической прочности, в десятки и более раз, на чем основано срабатывание заявляемого замыкателя. Это связано с тем, что в спрессованном порошке алюминиевые частицы находятся в состоянии максимально возможного сближения. При воздействии давпения Р10 ГПа смещение частиц 20 относительно друг друга мало, плотность порошка и соответственно его электрическая прочность меняются незначительноВ заявляемом ударном электрическом замыкателе, как это показано эксперимен 25 тально, именно использование дополнительного слоя алюминиевого порошка насыпной плотности с размером частиц 0,33б ./Ч(мкм) обеспечивает надежное задействование при давлении Р0,1 ГПа,30 На основании этого можно заключить,что заявляемое техническое решение удовлетворяет критерию "существенные отличия".Сущность заявляемого устройства за 35 ключается в следующем. До воздействия давления в предлагаемый замыкатель, содержащий дополнительный слой алюминиевого порошка насыпной плотности со средним размером частиц д, выдерживает беэ пробоя напряжение между выводными 40 проводниками Ч(В). Об. Данное соотношение установлено экспериментально. Так, слой сухого алюминиевого порошка насыпной плотности со средним размером частиц 10 мкм (размер частиц определяется с помощью микроскопа) имеет электрическую прочность Е 0,1 В/мкм, а для слоя алюминиевой пудры с б -1 кмк Е - 1,0 В/мкм,Таким образом, выполнение соотноше 45 50 ния бОД обеспечивает разрыв электрической цепи до повышения давления, При увеличении давления происходит уплотнение порошка, Экспериментально показано, что электрическая прочность порошка уменьшается при его уплотнении не менее чем в 10 раз, В результате, происходит электрический пробой уплотнительного порошка. Экспериментально установлено, что через г0,1 мкм после прихода волны 55 электроизоляционного материала для электронных деталей спрессованного под дав лением алюминиевого порошка с размером сжатия с амплитудой Р0,1 ГПа к слою порошка с б = 1 мкм,= 1000 мкм, толщиной Л1 мм его сопротивление (между выводами проводниками уменьшается до В1 Ом, Таким образом, дополнительный слой алюминиевого порошка насыпной плотности снижает порог чувствительности и время срабатывания замыкателя не менее чем в 10 раз по сравнению с прототипом), .При выполнении слоя алюминиевого порошка из частиц, средний размер которых удовлетворяет соотношению д0,33 мкм, обеспечивается резкое уменьшение сопротивления замыкателя до ВОм после прихода УВ (или удара).Известно, что на поверхности частицы алюминия имеется неэлектропроводная оксидная пленка толщиной Я = 0,0025-0,005 мкм. Существенно, что эта пленка образуется в течение нескольких секунд и в дальнейшем не увеличивает свою толщину, Таким образом, возможные повреждения пленки быстро "залечиваются". Кроме тога, толщинапленки слишком велика, чтобы могла осуществляться "туннельная проводимость", что и обеспечивает достаточную электрическую прочность порошка перед воздействием давления, При электрическом пробое порошка частицы в месте пробоя электрически соединяются друг с другом с помощью алюминиевых мостиков в окисной пленке (диаметром к0,1 мкм при токе, протекающем через порошок 1 1 А). При уменьшении размеров частиц увеличивается конечное сопротивление замыкателя после пробоя, так как увеличивается количество мостов вдоль пути тока и соответственно их суммарная длина и уменьшается диаметр мостиков, так как кб, Поэтому нет смысла использовать порошок со средним раз- мером частиц б0,33 мкм, так как увеличение суммарной толщины окисных пленок и соответственно электрической прочности порошка при уменьшении б прекращается при б0,33 мкм из-за возможного электрического пробоя воздушных прослоек между частицами. Действительно при б - 0,33 мкм электрическая прочность1порошка Е - - - 3 В/мкм, в то время как электрическая прочность воздуха при нормальныхусловияхтакже равна Е,-З В/мкм,Работоспособность замыкателя обусловлена наличием окисной пленки определенной толщины на частицах алюминия,При более тонкой пленке не обеспечивается из-за туннельной проводимости достаточная электрическая прочность металлического порошка, при более толстых повышаются порог чувствительности, время срабатывания и сопротивление замыкателя после задействования, Существенно также, что алюминиевый порошок с д - 1-10 мкм изготавливается промышленностью в больших количествах,На чертеже представлен общий вид предлагаемого ударного электрического замыкателя в разрезе,Замыкатель содержит металлический цилиндрический корпус 1, коаксиально расположенный внутри корпуса металлический стержень 2, диэлектрическую втулку 3, диэлектрическую прокладку 4, слой 5 алюминиевого порошка насыпной плотности.Стрелками показан фронт волны сжатия.Заявляемое устройство работает следу, ющим образом. До подхода волны сжатия (удара, увеличения давления) между корпусом 1 и стержнем 2 имеется напряжение Ч(В), ток в цепи отсутствует. Выполнение соотношения 0/Ч обеспечивает достаточную электрическую прочность порошка.После прихода волны сжатия происходит смещение частиц относительно друг друга, при этом повреждается окисная пленка на отдельных частицах. Это приводит к снижению электрической прочности порошка, его электрическому пробою и соответственно замыканию цепи. Выполнение соотношения б0,33 мкм обеспечивает срабатывание замыкателя, а именно уменьшение еГо сопротивления до В1 Ом через т0,1 мкс после выхода волны давления с амплитудой Р0,1 ГПа (в материала на корпусе) в слой порошка,В ходе экспериментальной отработки заявляемого устройства были выполнены опыты с моделью эамыкателя, в составе которой были следующие элементы; корпус 1 в виде стакана иэ медной фольги марки М 1 толщиной 0,1 мм и диаметром 5 мм; стержень 2 из медной проволоки марки М 1 диаметром 1 мм; диэлектрическая втулка 3 из пицеина (эаливочный состав ГОСТ 9647- 61); диэлектрическая прокладка 4 из лавсана толщиной 0,04 мм; слой 5 алюминиевой пудры ПАЙГОСТ 5494-71 с насыпной плотностью р0,5 г/смз, средним размером частиц б - 1 мкм, толщиной, равной 3 мкм. Расплавленный пицеин заливали в10 корпус после засыпки порошка. Возможность поступательного перемещения дна корпуса к основанию стержня обеспечивалась малыми толщинами дна и прокладки 4 при относительно большом диаметре корпуса и малом диаметре стержня, Отметим, что в данной модели выполненоз заявляемое соотношение при 1 - 1,5 10 мкм, Ч - 100 В, д " 1,0 мкм, т. е. 0,331,01500/100,Диэлектрическая прокладка 4 выполнена из материала, чувствительного к ударному воздействию, так как тонкая лавсановаяпленка относительно легко протыкается стержнем, что обеспечивает срабатывание замыкателя-прототипа при достаточно большом времени действия давления на дно корпуса ( т1 мкс при Р 1 ГПа). В предлагаемом замыкателе протыкание лавсановой пленки (если оно происходит) 20 обеспечивает дополнительное уменьшениесопротивления замыкателя до В = 10 Ом (после уменьшения сопротивления до В Ы Ом из-за электрического пробоя слоя уплотненного порошка), Данные модели устанав ливались на пластинах из алюминия илиплексигласа, сквозь которые проходила плоская УВ с постоянным в течение 1 мкс давлением за фронтом, Опыты показали, что при давлении за фронтом УВ 1,2 ГПа(в плек сигласе) и 3,7 ГПа (в алюминии) и начальномнапряжении между корпусом и стержнем в диапазоне Ч = 100-300 В сопротивление замыкателя через т0,1 мкс, после прихода УВ составляет В1 Ом. Такие же модели 35 располагались в воде при давлении эа фронтом сферически расходящейся УВ в воде Р =0,12 ГПа, напряжении между корпусом и стержнем ЧВ, сопротивление замыкателя через т 0,1 мкс после прихода УВ 40 также уменьшилось до В1 Ом. При болеенизких давлениях замыкатель не испытывался.Таким образом, экспериментально показано, что заявляемый ударно-злектриче ский замыкатель существенно расширяетдиапазон задействованных усилий за счет снижения по сравнению с прототипом порога чувствительности до П = 0,1 ГПа (более чем в 10 раз) и уменьшения времени сраба тыввния до т0,1 мкс (более чем в 10 рвэпри Р 5 ГПа).ПодписноеО "Поиск" Роспатентава, Ж, Раушская наб., 4/5 жгород, ул, Гагарина, 10 роизводственно-издательский комбинат "Патент 9 1792194 10 ф о р м у л а и з о б р е т в н и я порога чувствительности и уменьшенияУДАРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАМЫ- времени срабатывания, он снабжен по- КАТЕЛЬ, содержащий два выводных Рошком алюминия насыпной плотности, проводника в виде коаксиально распо- размер частиц которого удовлетворяет ложенных стержня и цилиндрического 5 соотношению корпуса; дно которого выполнено с воз- о эможностью поступательного перемещения вдоль оси к основанию стержня, где д - средний размер частиц, диэлектрическую втулку, установленную мкмв зазоре между боковой поверхностью 10 С - расстояние между боковбй поверстержня и внутренней стенкой корпуса, хностью стержня и внутреннейдиэлектрическую прокладку, расположен- стенкой корпуса, мкм; ную в зазоре между основанием стерж- О - коммутирующее напряжение, В, ня и дном корпуса, отличающийся тем, при этом укаэанный порошок влючто; с целью расширения эксплуатаци миния размещен между диэлектрической онных возможностей за счет снижения -прокладкой и диэлектрической втулкой.