DE102005052578B4

DE102005052578B4 - Verfahren zum Einstellen einer Verzögerungszeit an einem elektronischen Sprengzeitzünder

Info

Publication number: DE102005052578B4
Application number: DE102005052578A
Authority: DE
Inventors: Dirk Hummel
Original assignee: Orica Explosives Technology Pty Ltd
Current assignee: Orica Explosives Technology Pty Ltd
Priority date: 2005-11-02
Filing date: 2005-11-02
Publication date: 2013-07-04
Anticipated expiration: 2025-11-03
Also published as: ATE508395T1; CA2625821A1; DE102005052578A1; WO2007051231A1; ZA200803441B; AU2006308783A1; EP1946190B1; DE602006021770D1; AU2006308783B2; EP1946190A4; CA2625821C; US7965490B2; US20090260532A1; ES2366047T3; PE20070672A1; EP1946190A1

Abstract

Verfahren zum Einstellen einer Verzögerungszeit an einem elektronischen Sprengzeitzünder (12), der einen impulstaktliefernden Oszillator (18) enthält, mit Hilfe eines Steuergerätes (10), mit den folgenden Schritten: a) Einschreiben (WRITE) einer Soll-Verzögerungszeit (n) in ein Datenregister (24), b) Repetierendes Aufaddieren der Soll-Verzögerungszeit (n) zu dem Inhalt eines Zählregisters (26) in dem Impulstakt des Oszillators über eine vorbestimmte Zeitspanne (t), wobei in dem Zählregister (26) ein Endwert entsteht, c) Teilen des Endwertes durch einen Quotienten (2x), der von der Größe der Zeitspanne (t) abhängt, zum Erhalten eines Anfangswertes (N) für das Herunterzählen des Zählregisters (26) zur Erzielung der Verzögerungszeit (d), wobei der Quotient 2x gleich der Zeitspanne (t) ist und den Wert 2x hat, wobei x eine natürliche ganze Zahl ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen einer Verzögerungszeit an einem Sprengzeitzünder, der einen Oszillator enthält, mit Hilfe eines Steuergerätes, sowie ein Sprengsystem mit einem Steuergerät und mehreren daran anschließbaren Sprengzeitzündern.
Elektronische Sprengzeitzünder werden durch ein zentrales Steuergerät gesteuert. Sie sind über eine Zweidrahtleitung mit dem Steuergerät verbunden, wobei das Steuergerät im Stande ist, in jedem Sprengzeitzünder eine individuelle Verzögerungszeit einzustellen. Die Sprengzeitzünder enthalten einen Oszillator, der mit einer vorgegebenen Frequenz schwingt. Nach Empfang eines Startsignals erfolgt eine Zählung der Oszillatorimpulse. Wenn der eingestellte Zielwert erreicht ist, wird ein Zündsignal erzeugt. Ein Problem besteht in der Ungenauigkeit der in den einzelnen Sprengzeitzündern enthaltenen Oszillatoren. Quarzgesteuerte Oszillatoren, die eine hohe Genauigkeit haben, eignen sich für diesen Zweck nicht, weil sie einerseits teuer und andererseits schockempfindlich sind. Daher verwendet man normalerweise integrierte Ringoszillatoren oder RC-Oszillatoren. Diese haben eine relativ geringe absolute Genauigkeit der Schwingfrequenz und benötigen daher einen Kalibrierungsprozess, um die gewünschte Genauigkeit der Zündverzögerung zu erhalten. Üblicherweise läuft während des Kalibrierungsprozesses der Oszillator für eine definierte Zeitspanne, während ein Zähler die Anzahl der Taktimpulse zählt. Dies kann parallel für alle angeschlossenen Sprengzeitzünder gleichzeitig erfolgen. Nach einer vorgegebenen Anzahl von Taktzyklen wird aus allen Sprengzeitzündern der individuelle Zählerstand ausgelesen, um daraus die Anzahl der Taktimpulse zu ermitteln, die für diesen Zähler erforderlich sind, um die gewünschte Verzögerungszeit zu erzielen. Dieser Prozess erfordert das Auslesen eines Zählerstandes aus dem Sprengzeitzünder und die Übermittlung an das Steuergerät. Die Sprengzeitzünder sind aber nicht mit einer eigenen stabilen Stromquelle versehen, sondern sie werden vom Steuergerät versorgt und haben lediglich einen Speicherkondensator. Eine Datenübertragung von den Sprengzeitzündern zum Steuergerät ist daher leistungsschwach und fehleranfällig, insbesondere unter Berücksichtigung des rauen Betriebes in Bergwerken und an anderen Orten, an denen zeitgesteuerte Sprengungen durchgeführt werden. Außerdem ist eine derartige Datenübertragung, die Zünder für Zünder nacheinander erfolgen muss, zeitaufwendig. Schließlich ist zu berücksichtigen, dass Sprengzeitzündungen häufig in störungsbelasteten Umgebungen erfolgen, bei denen Störsignale in das Leitungssystem eindringen können.
DE 2510668 A1 beschreibt eine digitalprogrammierbare Zeitgeber- und Verzögerungsanordnung mit hohem Auflösungsvermögen.
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US 4,986,183 A betrifft die Verwendung elektronischer Schaltkreise zur Steuerung von Sprengstoffen und insbesondere eine präzise Kalibrierung von Schaltkreisen zur zeitverzögerten Zündung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Einstellen einer Verzögerungszeit an einem Sprengzeitzünder anzugeben, das zuverlässig ausführbar und sicher gegen externe Störungen ist, sowie ein entsprechendes Sprengsystem bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren anzugeben, dass eine exakte Einhaltung der Verzögerungszeit ohne das Erfordernis eines hochgenauen Oszillators ermöglicht, sowie ein entsprechendes Sprengsystem bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren anzugeben, dass keine Datenübertragung von dem Sprengzeitzünder zum zentralen Steuergerät fordert, sowie ein entsprechendes Sprengsystem bereitzustellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Es weist die folgenden Schritte auf:

a) Einschreiben einer Soll-Verzögerungszeit in ein Datenregister,
b) Repetierendes Aufaddieren der Soll-Verzögerungszeit zu dem Inhalt eines Zählregisters in dem Impulstakt des Oszillators über eine vorbestimmte Zeitspanne, wobei in dem Zählregister ein Endwert entsteht,
c) Teilen des Endwertes durch einen Quotienten, der von der Größe der Zeitspanne abhängt, zum Erhalt eines Anfangswertes für das Herunterzählen des Zählregisters zur Erzielung der Verzögerungszeit.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht das Einstellen der Verzögerungszeit an jedem von zahlreichen Sprengzeitzündern mit unidirektionaler Kommunikation zwischen dem Steuergerät und jedem Sprengzeitzünder. Die Sprengzeitzünder können mit relativ kostengünstigen und einfachen Oszillatoren ausgestattet sein, die keine exakt definierte absolute Schwingfrequenz haben. Wichtig ist allerdings eine konstante Einhaltung der jeweiligen Frequenz. Dies bedeutet, dass keine wesentlichen Änderungen der Schwingfrequenz des Oszillators mit der Zeit eintreten dürfen. Ferner erfordert das Verfahren keine Übermittlung von Daten oder anderen Signalen von dem einzelnen Sprengzeitzünder an das Steuergerät.
Somit sind Unsicherheiten, die mit einer derartigen Übermittlung verbunden wären, ausgeschlossen.
Die Erfindung ermöglicht eine Reduzierung der erforderlichen Programmierzeit und eine Minimierung der in der Programmiersequenz zwischen dem Steuergerät und den Zündern zu übertragenden Datenmenge.
Eine besonders einfache Art des Einstellen des Anfangswertes für das Herunterzählen des Zählregisters ergibt sich, wenn der Quotient, durch den der Endwert des Zählregisters geteilt wird, gleich der vorbestimmten Zeitspanne ist und den Wert 2^x hat, wobei x eine ganz natürliche Zahl. Da das Zählregister ein binäres Register ist, entspricht eine Verschiebung des Inhalts im Zählregister um eine Stelle nach rechts einer Teilung durch 2. Das Zählregister hat eine Schiebefunktion. Die Soll-Verzögerungszeit wird auf eine Grundeinheit, wie beispielsweise Millisekunden, normiert. Auf diese Weise kann eine Teilung durch die Quotienten 2, 4, 8, 16, 64 jeweils durch Verschieben des Inhalts des Zählregisters um x Stellen nach rechts erfolgen. Hierdurch wird der Divisionsvorgang besonders einfach. In dem Sprengzeitzünder wird kein universaler Mikroprozessor benötigt, sondern lediglich ein integrierter Schaltkreis, der für die speziellen Aufgaben ausgelegt ist, eine sog. ”State Machine”. Dieser Schaltkreis enthält das Datenregister, das Zählregister, ein ID-Register zur Aufnahme einer Identifikation sowie eine Einrichtung zur Ermöglichung der Kommunikation mit dem Steuergerät.
Das erfindungsgemäße Sprengsystem ist durch Patentanspruch 3 definiert. Demnach betrifft die Erfindung ferner ein Sprengsystem mit einem Steuergerät und mehreren daran anschließbaren Sprengzeitzündern, wobei jeder Sprengzeitzünder ein Datenregister, in das von dem Steuergerät eine individuelle Soll-Verzögerungszeit einschreibbar ist, und einen eigenen Oszillator enthält. Das Sprengsystem ist dadurch gekennzeichnet, dass der Sprengzeitzünder ein Zählregister enthält, das über eine vorbestimmte Zeitspanne im Takt des Oszillators den Inhalt des Datenregisters repetierend übernimmt und akkumuliert, wodurch ein Endwert erhalten wird, und dass der Endwert durch einen Quotienten geteilt wird, der in Beziehung mit der Dauer der genannten Zeitspanne steht, um einen Anfangswert für das Herunterzählen des Zählregisters zu erzeugen.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 Eine schematische Darstellung des Sprengsystems mit dem Steuergerät und den Sprengzeitzündern,
2 ein schematisches Diagramm der in einem Sprengzeitzünder enthaltenen Komponenten und
3 eine schematische Darstellung der Inhalte des Datenregisters und des Zählregisters während der einzelnen Phasen des Einstellens der Verzögerungszeit.
In 1 ist ein Sprengsystem dargestellt. Dieses enthält ein zentrales Steuergerät 10 und mehrere Sprengzeitzünder 12. Das Steuergerät 10 ist mit einer Zweidrahtleitung mit den Adern a und b verbunden, an die parallel die einzelnen Sprengzeitzünder 12 angeschlossen sind. Bei einem Sprengvorgang liefert das Steuergerät 10 ein Signal an sämtliche Sprengzeitzünder 12. Diese bewirken das Zünden mit einer individuellen Verzögerung wobei die Zufuhr mit Hilfe des Steuergerätes an jedem Sprengzeitzünder eingestellt wurde. Auf diese Weise wird ein zeitlich gestaffeltes Auslösen der Sprengzeitzünder realisiert. Das Steuergerät 10 bewirkt sowohl die Energieversorgung als auch die Informationsversorgung der Sprengzeitzünder 12.
Die Schaltung eines Sprengzeitzünders 12 ist schematisch in 2 dargestellt. Der Sprengzeitzünder enthält einen Signal-Extraktor 14, der mit den Eingangsklemmen A und B verbunden ist, die an die Adern a und b angeschlossen sind. Mit dem Signal-Extraktor 14 ist ein Speicherkondensator 16 für die Stromversorgung des Zünders verbunden. Der Speicherkondensator wird von dem Steuergerät 10 aufgeladen. Der Signal-Extraktor 14 extrahiert von den Adern a und b die Impulssignale, über die das Steuergerät mit den Zündern kommuniziert.
Der Zünder 12 enthält einen Oszillator 18, der mit einer konstanten Frequenz schwingt. Diese Frequenz entspricht nur grob einer vorgegebenen Frequenz. Außerdem enthält der Zünder eine Zündschaltung 20, die ein Zündelement 22 zum vorgesehenen Zündzeitpunkt initiiert.
Der Zünder enthält ein Datenregister 24, das hier eine Kapazität von 32 Bit hat, sowie ein Zählregister 26 von 40 Bit. Das Datenregister 24 ist im Stande vom Signal-Extraktor 14 eine Soll-Verzögerungszeit, die von dem Steuergerät 10 geliefert wird, zu empfangen und zu speichern. Das Zählregister 26 ist mit dem Datenregister 24 derart verbunden, dass es den Inhalt des Datenregisters im Takt des Oszillators 18 übernehmen und akkumulieren kann. Auf diese Weise kann die Soll-Verzögerungszeit, die in das Datenregister eingegeben wurde, durch Akkumulieren multipliziert werden. Das Zählregister 26 ist ein näheres Schieberegister, dessen Inhalt – ebenfalls unter Taktung durch den Oszillator 18 – verschoben werden kann.
Schließlich enthält der Zünder ein ID-Register 28, in dem eine unverwechselbare Identifikationsnummer gespeichert wird, die den betreffenden Zünder – und nur diesen – identifiziert. Wenn diese ID-Nummer von dem Steuergerät 10 aufgerufen wurde, empfängt der betreffende Zünder die nachfolgenden Signale des Steuergeräts.
Das Datenregister ist ein Schreib-Lese-Register, das eine bitweise Schiebefähigkeit aufweist. Wie 3 zeigt, ist das Datenregister 24 in vier Gruppen von jeweils 8 Bit aufgeteilt. Das Datenregister ist hexadezimal organisiert. Jede Gruppe enthält zwei Dezimalzahlen. Bei dem dargestellten Beispiel enthält die rechte Gruppe die Binärzahlen ”0110” (= 6) und ”0100” (= 4). Dies ergibt den Dezimalwert 100.
Mit einem Schreibbefehtl WRITE gibt das Steuergerät in das Datenregister jedes Zünders die Soll-Verzögerungszeit n dieses Zünders ein.
Danach erfolgt ein START-Befehl für den Kalibriervorgang, der veranlasst, dass bei jedem Taktimpuls des Oszillators 18 der Inhalt (n) des Datenregisters 24 in das Zählregister 26 übernommen und dort aufaddiert wird. Das Aufaddieren wird bis zum Empfang eines STOP-Signals für den Kalibriervorgang, das vom Steuergerät geliefert wird, fortgesetzt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel steht bei Empfang des STOP-Signals im Zählregister 26 die hexadezimale Zahl 138800, was einem Wert von 1.280.000 entspricht.
Die Kalibrierzeit zwischen START-Signal und STOP-Signal ist eine festgelegte bestimmte Zeitspanne. Sie beträgt 2^x ms. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde x = 8 gewählt, so dass die Kalibrierzeit t = 256 ms beträgt. Dies ist der Quotient, durch den der im Zählregister 26 stehende Endwert geteilt wird, um den Anfangswert N für das Herunterzählen des Zählregisters durch den Oszillator zu erhalten.
Nach dem STOP-Signal erfolgt das Verschieben des Inhalts des Datenregisters 24 im Takt des Oszillators. Dies entspricht einer wiederholten Division durch 2. Nach x Divisionsvorgängen wurde der Endwert durch 2^x geteilt, was der Kalibrierzeit t (in ms) entspricht. Dann steht im Zählregister 26 der Anfangswert N für das nachfolgende Herunterzählen des Inhalts des Zählregisters zum Erhalten der Verzögerungszeit d, die durch ein Befehlssignal des Steuergerätes 10 eingeleitet wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Wert im Zählregister nach durchgeführter Division durch 256 hexadezimal 1388, was einem dezimalen Wert von 5000 entspricht.
Dies soll durch die nachfolgende Berechnung erläutert werden. Es sind:

n: = Soll-Verzögerungszeit
d: = Zeit des Herunterzählens von dem erhaltenen Anfangswert bis auf 0
t: = Kalibirierzeit = 2^x ms
f_c: = Taktfrequenz des Oszillators
x: = nach rechts zu verschiebende Bit-Stellen des Datenregisters
N: = Anfangswert für das Herunterzählen des Zählregisters zum Erhalt der Soll-Verzögerungszeit n.

Der Anfangswert N für das Herunterzählen des Zählregisters ergibt sich zu N = n·t·f_c·1/2^x mit t == 2^x wird aus dieser Gleichung der Wert 2^x herausgekürzt und es ergibt sich N = n·f_c.
Während des Herunterzählens gilt: d = N/f_c.
Unter der Voraussetzung, dass f_c während des Kalibrierens und des Herunterzählens konstant ist, erhält man d = n.
Somit ist also die für das Herunterzählen benötigte Zeit gleich der Soll-Verzögerungszeit, die zuvor eingestellt worden war.
Es ist nicht erforderlich, dass t gleich dem Wert 2^x ist. Vielmehr reicht es aus, wenn t zu dem Wert 2^x proportional ist. Beispielsweise kann die Kalibrierzeit t auch in Zehntel von 2^x ms angegeben werden; in diesem Fall wird der Inhalt des Datenregisters als Zehntel ms interpretiert.

Claims

Verfahren zum Einstellen einer Verzögerungszeit an einem elektronischen Sprengzeitzünder (12), der einen impulstaktliefernden Oszillator (18) enthält, mit Hilfe eines Steuergerätes (10), mit den folgenden Schritten: a) Einschreiben (WRITE) einer Soll-Verzögerungszeit (n) in ein Datenregister (24), b) Repetierendes Aufaddieren der Soll-Verzögerungszeit (n) zu dem Inhalt eines Zählregisters (26) in dem Impulstakt des Oszillators über eine vorbestimmte Zeitspanne (t), wobei in dem Zählregister (26) ein Endwert entsteht, c) Teilen des Endwertes durch einen Quotienten (2^x), der von der Größe der Zeitspanne (t) abhängt, zum Erhalten eines Anfangswertes (N) für das Herunterzählen des Zählregisters (26) zur Erzielung der Verzögerungszeit (d), wobei der Quotient 2^x gleich der Zeitspanne (t) ist und den Wert 2^x hat, wobei x eine natürliche ganze Zahl ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Teilen durch den Quotienten durch Verschieben des Inhalts des Zählregisters um x Stellen erfolgt.
Sprengsystem mit einem Steuergerät (10) und mehreren daran anschließbaren elektronischen Sprengzeitzündern (12), wobei jeder elektronische Sprengzeitzünder ein Datenregister (24) enthält, in das von dem Steuergerät eine individuelle Soll-Verzögerungszeit (n) einschreibbar ist, und einen eigenen Oszillator (18) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Sprengzeitzünder (12) ein Zählregister (26) enthält, das über eine vorbestimmte Zeitspanne (t) im Takt des Oszillators (18) den Inhalt des Datenregisters (24) repetierend übernimmt und akkumuliert, wodurch ein Endwert erhalten wird, und dass der Endwert durch einen Quotienten geteilt wird, der in Beziehung mit der Dauer der Zeitspanne (t) steht, um einen Anfangswert (N) für das Herunterzählen des Zählregisters (26) zu erzeugen, wobei der Quotient 2^x gleich der Zeitspanne (t) ist und den Wert 2^x hat, wobei x eine natürliche ganze Zahl ist.
Sprengsystem nach Anspruch 3, wobei das Teilen durch den Quotienten durch Verschieben des Inhalts des Zählregisters um x Stellen erfolgt.
Sprengsystem nach Anspruch 3, wobei der elektronische Sprengzeitzünder (12) von dem Steuergerät (10) ein WRITE-Signal zur Übernahme der Soll-Verzögerungszeit (n) empfängt.
Sprengsystem nach Anspruch 3, wobei der elektronische Sprengzeitzünder (12) von dem Steuergerät (10) ein START-Signal zum Beginnen des Akkumulierens empfängt.
Sprengsystem nach Anspruch 3, wobei der elektronische Sprengzeitzünder (12) von dem Steuergerät (10) ein STOP-Signal zum Beendigen des Akkumulierens und zum nach rechts Verschieben des Zählregisters (26) empfängt.