DE2945122C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Zeitsteuervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf ein Sprengmittel-Zündsteuersystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.

Für seismische und Spreng-Lagersuchverfahren und/oder Schürfverfahren ist es häufig notwendig, Sprengladungen in einer vorbestimmten, zeitlich genau abgestimmten Reihenfolge zur Explosion zu bringen. Die Genauigkeit der relativen Zeitintervalle zwischen aufeinanderfolgenden Explosionen ist unter anderem dahingehend von Bedeutung, Bodenvibrationen zu begrenzen, das Zerbrechen und Versetzen von Felsen zu steuern und sinnvolle seismische Aufzeichnungen zu erzeugen. Die Genauigkeit einer derartigen Relativzeitsteuerung beeinflußt sowohl die Wirksamkeit als auch die allgemeine Wirtschaftlichkeit von vielen seismischen und Spreng-Vorgängen.

Das Zeitintervall zwischen der Auslösung aufeinanderfolgender Sprengladungen wird üblicherweise dadurch gesteuert, daß innerhalb der Zündladungskapseln zwischen dem Zündkopf und den Sprengladungen oder in der zwei Zündkapseln verbindenden pyrotechnischen Leitung pyrotechnische Zünder mit einer kontrollierten Brenngeschwindigkeit verwendet werden (so daß sich eine Laufzeit-Verzögerung ergibt). Derartige herkömmliche Verzögerungs-Zünder können entweder elektrisch oder durch Explosion ausgelöst werden; sie werden typischerweise in einer oder mehreren Serien mit unterschiedlichen Längen des pyrotechnischen Verzögerungs-Satzes hergestellt, um damit vorbestimmte Nenn-Verzögerungsintervalle zu liefern.

Es ist ferner bekannt, eine gesteuerte zeitliche Folge von elektrischen Signalen zu erzeugen, um die Zündköpfe in einer Mehrzahl von elektrischen Sprengkapseln in zeitlich genau gesteuerten Intervallen auszulösen (siehe beispielsweise US-PS 25 46 686, 33 12 869 und 34 24 924). Zum Schutz gegenüber der Möglichkeit einer Beschädigung der Verbindungs- Verdrahtung durch eine der früheren Explosionen ist es jedoch notwendig, in allen Sprengkapseln eine Zündverzögerung von ausreichender zeitlicher Länge vorzusehen, um damit sicherzustellen, daß alle Zündköpfe elektrisch ausgelöst worden sind, bevor die erste Explosion auftritt.

Demgemäß hängt bei vielen Verzögerungs-Systemen mit elektrischen Zündköpfen das Zeitintervall zwischen Sprengladungen von dem Zeitverzögerungs-Unterschied zwischen wenigstens zwei Verzögerungs-Brennzündern ab. Die Genauigkeit derartiger Zeitsteuerungs-Intervalle ist daher von der statistischen Abweichung des Mittelwerts der jeweiligen Verzögerungszeit gegenüber der Konstruktions-Verzögerungszeit sowie auch von der Abweichung der jeweiligen Verzögerungszeit gegenüber einem derartigen Mittelwert abhängig. Bei manchen seismischen und Spreng-Vorgängen ist die bei der tatsächlichen Herstellung erzielbare Genauigkeit der begrenzende Faktor. Darüber hinaus kann die Herstellungsqualität derartiger Verzögerungs-Systeme nur durch zerstörende Probenüberprüfung überwacht werden, was kostspielig ist; in jedem Fall ist gewöhnlich die in eine jeweilige Serie von Verzögerungs-Zündern eingebrachte pyrotechnische bzw. Brennverzögerung physikalisch unter einem oder mehreren Gesichtspunkten unterschiedlich. Zur Erfüllung der Forderungen nach unterschiedlichen Zeitsteuerungs-Intervallen ist es gewöhnlich auch notwendig, mehr als eine Serie von Verzögerungs- Zündern herzustellen.

Zur Unterbringung von verbrauchbaren elektronischen Zeitsteuerungs-Schaltungen an jeder Sprengstelle sind z. B. in der US-PS 30 67 684, 35 71 605, 36 46 371 und 35 00 746 unterschiedliche Verfahren vorgeschlagen, gemäß denen bei dem örtlichen Zeitsteuerungs-Oszillator Frequenzabweichungen kompensiert werden können und/oder dieser Oszillator quarzgesteuert ausgebildet wird. In den meisten Fällen sind jedoch die wirklich realisierten tatsächlichen relativen Zeitverzögerungen durch die Genauigkeit des vorbestimmten Frequenznormals bestimmt, das durch den örtlichen Oszillator gebildet wird. Die US-Patentschriften 36 46 371 und 35 00 746 offenbaren elektronische Artilleriegeschoß-Verzögerungszünder, die verhältnismäßig komplexe digitale Gegenkopplungskreise für eine Ferneinstellschaltung haben, die die erfaßten Abweichungen der Ortsoszillatorfrequenz dadurch kompensiert, daß sie die Anzahl der während einer nachfolgenden Zeitverzögerungs­ periode gezählten Oszillatorimpulse nachregelt.

Aus der US-PS 39 53 804 ist eine dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entsprechende elektrische Zeitsteuervorrichtung zur Zündaktivierung von Zündelementen bekannt, die jeweils einen aus Oszillator, Frequenzteiler und Treiberschaltung bestehenden Aktivierungskreis umfassen. Zur Einschaltung des Aktivierungskreises ist jeweils ein gesteuerter Schalter vorhanden, dem über einen Eingangsanschluß selektiv ein Einschalt-Steuersignal zugeführt wird. Dem ersten Zündelement-Aktivierungskreis wird dieses Einschalt- Steuersignal bei manueller Betätigung eines Schalters zugeführt, wonach nach Ablauf eines vorbestimmten Zeitintervalls der im ersten Aktivierungskreis vorgesehene Frequenzteiler über eine entsprechende Verbindungsleitung ein Ausgangssignal an den Eingangsanschluß des zweiten Aktivierungskreises anlegt, das nun für diesen als Einschalt-Steuersignal dient. In gleicher Weise ist der Frequenzteiler des zweiten Aktivierungskreises mit dem Eingangsanschluß des dritten Aktivierungskreises elektrisch verbunden, so daß jeder Zündelement-Aktivierungskreis den jeweils nachfolgenden mit entsprechender Zeitverzögerung aktiviert.

Erfolgt allerdings die Detonation des Zündelements verhältnismäßig rasch nach Einschalten des jeweils zugehörigen Aktivierungskreises, so kann der Fall auftreten, daß die zu nachgeschalteten Zündelementen führenden Verbindungsleitungen zerstört werden, so daß die Übertragung des Einschalt- Steuersignals unterbrochen wird. Damit werden die nachgeschalteten Zündelemente nachteiligerweise nicht mehr aktiviert. Weiterhin haftet der bekannten Zeitsteuervorrichtung der Nachteil an, daß die einzelnen Zündelemente untereinander über Verbindungsleitungen zur Übertragung des Einschalt- Steuersignals verbunden werden müssen, was entsprechenden Aufwand begründet. Schließlich lassen sich auch Veränderungen des zeitlichen Abstands der aufeinanderfolgenden Sprengungen nicht oder jedenfalls nur mit großem Aufwand bewerkstelligen, was die Durchführung von beispielsweise in Anpassung an das jeweils untersuchte geologische Gebiet erforderlichen Maßnahmen erheblich erschwert.

In der GB-PS 14 93 104 ist eine Projektil-Sprengeinrichtung beschrieben, bei der die Verzögerungszeit zwischen der Zündaktivierung und der eigentlichen Zündung unter Zuhilfenahme einer externen Signalquelle und eines am Zündsatz angebrachten Signalempfängers eingestellt wird. Die Signalquelle ist allerdings nicht elektrisch mit dem Signalempfänger verbunden, sondern steuert diesen über Radiofrequenz- Steuersignale. Hierzu wird zunächst ein interner Oszillator für eine vorbestimmte, von dem eigentlichen Zündverzögerungs- Zeitintervall völlig unabhängige Zeitspanne aktiviert und die hierbei erzeugten Schwingungen über einen Zähler gezählt. Nachfolgend wird an den Zündsatz die tatsächlich erforderliche Verzögerungszeit in Form eines vielfachen der vorbestimmten Zeitspanne radiofrequent übertragen und der übertragene Faktor mit der Anzahl der zuvor gezählten Oszillatorschwingungen multipliziert. Hiernach wird der Oszillator erneut aktiviert und nach Erzeugung einer Oszillator­ schwingungsanzahl, die der durch Multiplikation ermittelten erforderlichen Schwingungsanzahl entspricht, die Zündung eingeleitet.

Die bekannte Zündeinrichtung ist allerdings für die aufeinanderfolgende Zündung mehrerer Zündsätze nicht geeignet, da allen Zündsätzen stets dieselben Signale zugeführt und diese folglich gleichzeitig gezündet würden. Darüber hinaus begründet die radiofrequente Signalübertragung nicht nur relativ hohen Aufwand, sondern bringt auch die Gefahr der Einkopplung von Störsignalen mit sich, die eine entsprechende Zündzeitpunktverfälschung hervorrufen können.

Aus der US-PS 37 39 199 ist ein Zeitintervall-Generator bekannt, der mit einem Frequenznormal-Oszillator und einem voreingestellten Zähler arbeitet. Das jeweils gewünschte Zeitintervall wird durch entsprechende Voreinstellung des Zählers auf einen entsprechenden Zählstand ausgewählt, wonach zum Einleiten der Zeitintervallzählung lediglich noch die Zuführung eines einzigen Startimpulses notwendig ist. Der Einsatz eines derartigen Zeitintervall-Generators zur Zündung von Zündelementen ist in dieser Druckschrift nicht angesprochen. Insbesondere zur aufeinanderfolgenden Zündung mehrerer Zündelemente ist die dort aufgezeigte Ausgestaltung schon aus Kostengründen nicht geeignet, da eine entsprechende Anzahl von kostenaufwendigen Normalfrequenz- Oszillatoren vorgesehen sein müßte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Zeitsteuervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart auszugestalten, daß bei verhältnismäßig geringem Aufwand eine genaue Steuerung und einfache Änderung des den Zündelementen zugeordneten Verzögerungszeitintervalls erreicht werden kann, sowie ein hiermit arbeitendes Sprengmittel-Zündsteuersystem zu schaffen.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen bzw. mit den im Patentanspruch 8 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Zeitsteuervorrichtung erzeugt die externe Steuersignalquelle somit elektrische Bezugszeitsteuerimpulssignale, von denen eine Signalwähleinrichtung jeweils zwei das vorbestimmte Verzögerungszeitintervall charakterisierende Bezugsimpulssignal herausgreift, die durch die Zeitgebereinrichtung in zeitlicher Hinsicht verarbeitet und zur internen Festlegung des Beginns des jeweiligen Verzögerungszeitintervalls umgesetzt werden.

Bie diesem Aufbau kann nicht nur eine aufwendige Leitungsverbindung zwischen den einzelnen Zündelementen entfallen, sondern es läßt sich auch die jeweilige Dauer und der Zeitpunkt der Aktivierung der Zündelemente beispielsweise durch einfache Veränderung der Frequenz der von der externen Steuersignalquelle zugeführten Bezugszeitsteuersignale erreichen.

Zudem hat die Detonation eines der Zündelemente keinerlei Auswirkungen mehr auf die Steuerung der benachbarten Zündelemente, so daß diese unbeeinflußt zum jeweils korrekten Zeitpunkt aktiviert werden. Weiterhin bringt die vorgeschlagene Ausgestaltung den Vorteil mit sich, daß jede Zeitgebereinrichtung mit einem sehr einfachen und billigen internen Oszillator ausgerüstet werden kann, der lediglich während des verhältnismäßig kurzen Aktivierungsintervalls relativ exakt arbeiten muß.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Sprengmittel-Zündsteuersystem zeichnet sich durch sehr gute Relativzeitsteuerung und große Anpassungsfähigkeit bei der Wahl von jeweils gewünschten unterschiedlichen Verzögerungen zwischen den verschiedenen Zündelementen aus, so daß eine zuverlässige, genaue und sichere Wirkungsweise erreicht wird. In dem erfindungsgemäßen System wird jedes Zündelement nach einem zeitlich genau gesteuerten Verzögerungsintervall nach der Übertragung eines gemeinsamen Startsignals an alle Zündelemente betätigt bzw. gezündet. Nach Empfang des Startsignals werden alle weiteren elektronischen Zeitmessungen örtlich an der jeweiligen Zündelement- Stelle als Funktion eines vorher gemessenen, zeitlich genau gesteuerten Intervalls zwischen zuvor von der Steuersignalquelle empfangenen Bezugsimpulssignalen vorgenommen. Das Ergebnis ist das genaue zeitlich verzögerte Zünden einer Reihe von Zündelementen in einer vorbestimmten Zeitfolge unabhängig von irgendeiner Beschädigung, die während des tatsächlichen Explosionsvorgangs an der Verbindungsverdrahtung auftreten könnte.

Vorzugsweise gibt die externe Steuersignalquelle an jedes der mehreren elektrisch betätigten Zündelemente codierte Signale ab, die beispielsweise über ein parallelgespeistes Zweidraht-Signalübertragungssystem übertragen werden können. Jedes der elektrisch betätigten Zündelemente enthält zusammen mit einem pyrotechnischen Zündsatz und/oder Grundladungen zur Zündung einer Hauptsprengladung eine elektronische Zeitsteuervorrichtung. Alle Zeitsteuervorrichtungen sind vorzugsweise mit der Ausnahme identisch, daß sie sich hinsichtlich digital codierter elektronischer Adressen oder "Zündelementnummern" unterscheiden, die mit den Zeiten der Zünderbetätigung nach Empfang eines Startsignals in Beziehung stehen.

Abweichend von herkömmlichen elektrischen Verzögerungs-Zündern ist die Verzögerung nicht in erster Linie von der Laufzeit in einem pyrotechnischen bzw. Brennzünder oder dgl. abhängig. Vielmehr wird die Zeitverzögerung auf genaue elektronische Weise in der jeweiligen elektrischen Zeitsteuervorrichtung aufgrund einer Information hervorgerufen, die zuvor von einer zentralen Zündsteuereinheit her empfangen wurde.

Die Erfindung ergibt weniger strenge Forderungen hinsichtlich der Zünderkonstruktion und gewährt eine weitaus größere Anpassungsfähigkeit hinsichtlich der Erzielung unterschiedlicher Zeitverzögerungen aus einer einzigen Serie hergestellter elektronischer Zünder, die elektrisch und mechanisch im wesentlichen identisch sind. Demgemäß können einfachere Herstellungs- und Materialprüfungs-Verfahren angewandt werden.

Die elektronischen Zündeinheiten und/oder Zünder mit derartigen Einheiten sind einfach anzuschließen und können als eine Einheit eine Sicherung gegenüber ungewollten elektrischen und/oder magnetischen Energieeinspeisungen enthalten. Derartige Zünder können auch in mehrere parallele Kanäle geschaltet und so gesteuert werden, daß sie aufeinanderfolgend oder gleichzeitig zünden. Dabei werden die Verzögerungen durch Zählen von Taktimpulsen einer lokalen Taktimpulsquelle über ein Intervall erzielt, das mittels einer zentralen und nicht für den Aufbrauch ausgelegten Zündsteuereinheit genau bestimmt ist. Ein gleiches oder proportionales Zeitintervall wird später dadurch erzeugt, daß eine gleiche Anzahl von Impulsen mit einer Impulsfrequenz gezählt wird, die aus der Frequenz der lokalen Taktimpulsquelle abgeleitet und dieser proportional ist. Da jeder elektronische Verzögerungs-Zünder ein Einweg-Zünder ist (d. h., bei der Explosion zerstört wird), ist es vorzuziehen, eine verhältnismäßig billige lokale Taktimpulsquelle zu verwenden. Dies ist mit der Erfindung gut ausführbar, da die erzielten relativen Zeitverzögerungen eine Funktion der Stabilität der Taktimpulsquelle über eine nur verhältnismäßig kurze Zeitdauer und nicht der absoluten Schwingungsfrequenz sind. Das heißt, selbst wenn die verschiedenen lokalen Taktoszillatoren eines Systems alle bei im wesentlichen verschiedenen Frequenzen arbeiten, wird die gesamte Fehlerfreiheit und Genauigkeit der System-Zeitsteuerung sehr gut, solange jeder örtliche Oszillator über eine verhältnismäßig kurze Zeitdauer (in der Größenordnung der gewünschten maximalen Zeitverzögerung) verhältnismäßig stabil ist.

Für die Übertragung der erforderlichen Bezugs-Zeitinformation von der zentralen Zündsteuereinheit zu den elektronischen Verbrauchs- bzw. Einweg-Verzögerungs-Zündern gibt es verschiedenartige in Frage kommende Verfahren.

Beispielsweise kann eine Reihe von Impulsen in genauen zeitlichen Abständen gleichzeitig an alle Zünder mit geeigneten Adreß-Zählern in den Zündern abgegeben werden, wobei Zeitintervalle zwischen vorbestimmten Impulsen der Impulsfolge als Bezugszeitintervall für den bestimmten Zünder gewählt werden. Von jedem Zünder kann dann als eine Funktion seines eigenen bestimmten Bezugs-Zeitintervalls eine nachfolgende Verzögerungs-Zeitdauer bemessen werden. Diese Zeitverzögerungs-Perioden können beginnend mit einem gemeinsamen Startsignal für alle Zündeinheiten bemessen werden oder es kann alternativ dazu die Bemessung der Verzögerungsdauer unmittelbar auf den Abschluß des Bezugs-Zeitintervalls für einen oder alle Zünder in einem System hin begonnen werden. Als Alternative kann ein einzelnes Bezugs-Zeitintervall an alle elektronischen Zündeinheiten abgegeben und von diesen empfangen werden, die danach ihre eigenen jeweils entsprechenden vorbestimmten Verzögerungszeitintervalle aufgrund des gemessenen Bezugs-Zeitintervalls bemessen (beispielsweise auf die Hälfte, einem Drittel, einem Ganzen, dem 1½-fachen des Bezugs-Zeitintervalls usw.). Selbstverständlich können gewünschtenfalls zwei oder mehrere Zündeinheiten auf die gleichen Steuersignale in gleicher Weise ansprechen, so daß den elektrischen Zündelementen gleichzeitig Energie zugeführt wird.

Wenn die charakterisierenden Bezugsimpulssignale für ein vorgegebenes Zündelement durch Zählung der Steuersignale gewählt werden, kann ein erster vorbestimmter Zählstand zum Feststellen des Beginns eines Bezugs-Zeitintervalls verwendet werden. Auf ähnliche Weise kann zum Feststellen des Endes eines Bezugs-Zeitintervalls ein zweiter vorbestimmter Zählstand verwendet werden. Natürlich kann bei einer Mehrzahl von Natürlich kan bei einer Mehrzahl von Zündelementen der zweite vorbestimmte Zählstand entweder für alle Verbraucher gleich oder um eine festgelegte Anzahl größer als der erste vorbestimmte Zählstand sein. Beispielsweise können die einer Reihe von Zündelementen zugeordneten ersten vorbestimmten Zählstände aufeinanderfolgende Zahlen sein, wobei die Zündköpfe dann entweder in der numerischen Reihenfolge des Komplements des ersten vorbestimmten Zählstands in bezug auf den gemeinsamen vorbestimmten Zählstand zuzüglich "1" oder alternativ einfach in der numerischen Reihenfolge der ersten vorbestimmten Zählstände in Betrieb gesetzt werden.

Wenn zur Erkennung des geeigneten Bezugs-Zeitintervalls für ein vorgegebenes Zündelement Steuersignale gezählt werden, kann zur Bestimmung, wann der Zählstand den vorstehend angeführten ersten und zweiten vorbestimmten Zählstand erreicht hat, ein voreingestellter (d. h. vor-decodierter) elektronischer Zähler verwendet werden. Alternativ kann eine geeignete logische Schaltung an Zwischenstufen-Ausgänge eines herkömmlichen elektronischen Zählers angeschlossen werden, um dadurch dessen Inhalt mit einer vorbestimmten Zahl oder mehreren vorbestimmten Zahlen zu vergleichen, die in einem Register oder einer anderen Datenspeichereinrichtung gespeichert sind.

Bei dem nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgt am Ort des jeweiligen Zündelements die tatsächliche Zeitverzögerungs-Messung unter Verwendung einer lokalen Taktimpulsquelle und eines umsteuerbaren Zählers für die Zählung derartiger Taktimpulse. Die tatsächliche Verzögerungsdauer zwischen dem von der Zündsteuereinheit her übertragenen Startsignal und der Betätigung des angeschlossenen elektrischen Zündelements wird dadurch bestimmt, daß zum Beginn des Bezugs-Zeitintervalls von einem vorbestimmten Anfangs-Inhalt an (der "0" sein kann) in eine Richtung gezählt, die Zählung zum Abschluß des Bezugs-Zeitintervalls beendet, darauffolgend die Zählrichtung umgekehrt und das angeschlossene elektrische Zündelement in Betrieb gesetzt wird, sobald der Zählerinhalt den anfänglichen Ausgangswert erreicht hat (der "0" sein kann). Der umgekehrte Zählvorgang kann unmittelbar bei Abschluß des Bezugs-Zeitintervalls oder alternativ zu irgendeinem nachfolgenden Zeitpunkt von einem von der Zündsteuereinheit her übertragenen gesonderten "Start"-Signal an eingeleitet werden.

Die zur Betätigung des angeschlossenen elektrischen Zündelements notwendige Energie wird zusammen mit der für den Betrieb des Systems für die Wahl, die Verarbeitung und die Zeitsteuerung der elektronischen Signale am Ort des jeweiligen Zündelements notwendigen zusätzlichen Energie vorzugsweise von der zentralen Zündsteuereinheit in Form von Wechselstrom oder von Gleichstrom bereitgestellt. Wenn eine Wechselstrom-Energiequelle verwendet wird, werden herkömmlicherweise (jedoch nicht notwendigerweise) sowohl die Energie für den Betrieb des Zündelements als auch die Steuersignale über eine Transformatoranordnung zugeführt. Die Steuer- oder Informations-Signale können als Unterbrechungen und/oder Änderungen derartiger Wechselströme oder Gleichströme aus der Zündsteuereinheit verwirklicht werden.

Beispielsweise kann die Energiespeichereinheit durch einen Kondensator gebildet sein, der mit von der Zündsteuereinheit zugeführter elektrischer Energie geladen wird. Dieser Kondensator speichert dann ausreichende Energie für die Aufrechterhaltung des Betriebs der elektronischen Einrichtungen für die erforderlichen Verzögerungsperioden und zusätzlich für die Inbetriebsetzung des angeschlossenen elektrischen Zündelements, so daß das System in der gewünschten Weise selbst dann weiterarbeitet, wenn die Verbindungsdrähte zu der Zündsteuereinheit während früherer Explosionen beschädigt werden.

Jede elektronische Verzögerungsschaltung enthält vorzugsweise auch eine Einrichtung zur Erkennung vorbestimmter Eigenschaften der ordnungsgemäßen Steuersignale (wie beispielsweise der Signalimpuls-Dauer oder -Frequenz), so daß nur Schaltsignale mit gewählten vorbestimmten Eigenschaften erfaßt werden.

Es sind auch geeignete Einrichtungen zur Abtrennung und/oder Ableitung von Steuersignalen aus der von der Zündsteuereinheit her zugeführten elektrischen Energie enthalten. Andere Einrichtungen sind dafür vorgesehen, auf die anfängliche Speisung der Schaltung mittels der Zündsteuereinheit hin und vor der Speicherung der für die Zündung ausreichenden Energie die richtigen Schaltungs-Anfangsbedingungen wieder einzustellen oder voreinzustellen. Ferner sind auch Einrichtungen dafür vorgesehen, die elektronischen Schaltungen gegen eine Beschädigung durch übermäßige Eingangsspannungen zu schützen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher beschrieben, in welcher:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Systems ist, das eine zentralisierte Zündsteuereinheit enthält, die einer Reihe von elektrisch betriebenen Zündköpfen sowohl Zündenergie als auch Zeitsteuerungsimpulse zuführt;

Fig. 2 ein ausführlicheres schematisches Blockschaltbild von mit jedem der Zündköpfe in Fig. 1 verbundenen elektronischen Zeitverzögerungs-Schaltungen ist;

Fig. 3 eine derjenigen des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 entsprechende Zeitsteuerungs- Ablauffolge zeigt;

Fig. 4 bis 6 Beispiele von alternativen Zeitsteuerungs-Ablauffolgen für eine Reihe von elektrischen Zündköpfen zeigen, die erfindungsgemäß gezündet werden;

Fig. 7 ein schematisches Schaltbild einer einfachen Form einer Zündsteuereinheit ist, die bei der Erfindung anwendbar ist;

Fig. 8 und 9 Signal-Zeitsteuerungs-Diagramme für die Erläuterung der Wirkungsweise der in Fig. 7 gezeigten Schaltung sind;

Fig. 10, 11A und 11B zunehmend ausführlichere schematische Schaltbilder des in Fig. 2 gezeigten elektronischen Zeitverzögerungs- Schaltungsaufbaus sind;

Fig. 12 und 13 Signal-Zeitsteuerungs-Diagramme für die Erläuterung der Wirkungsweise der in den Fig. 2, 10 und 11 gezeigten Schaltungen sind;

Fig. 14 und 15 schematische Schaltbilder von beispielhaften örtlichen Taktimpuls- Generatoren sind, die bei der Erfindung verwendet werden können; und

Fig. 16 und 17 vergleichende graphische Darstellungen sind, die verschiedene Gesichtspunkte der Systemfunktion bei Verwendung der in Fig. 15 gezeigten verschiedenen Arten von örtlichen Taktimpuls- Generatoren zeigen.

Nach Fig. 1 liefert eine Energiequelle 10 Zündenergie und eine Folge von Zeitsteuerungsimpulsen über Drähte 12 und 13 A an eine elektronische Verzögerungs­ schaltung 14 A, welche ihrerseits mit Drähten 15 A an einen elektrisch betriebenen Verbraucher (wie z. B. den Zündkopf eines elektrischen Zünders) angeschlossen ist. Andere elektronische Verzögerungsschaltungen 14 B bis 14 Z (in einer gewünschten Anzahl innerhalb der Einschränkungen des Systems) sind in Parallelschaltung oder (nicht gezeigter) Reihenschaltung über die Drähte 12 an die zentralisierte Steuereinheit 10 sowie über Drähte 15 B bis 15 Z an die elektrisch betriebenen Verbraucher (wie z. B. die Zündköpfe) angeschlossen.

Eine jeweilige Verzögerungsschaltung 14 A bis 14 Z nach Fig. 1 ist ausführlicher in Fig. 2 gezeigt. Hiernach werden über Drähte 13 elektrische Eingangs- Energie und Steuerimpulse einer Diskriminatoreinheit 16 zugeführt. Die Einheit 16 liefert über Drähte 17 geeignete Betriebsspannungen für die elektronischen Zeitsteuerungs- Schaltungen und über Drähte 18 Energie an einen Energiespeicher 19. Der Energiespeicher 19 ist gewöhnlich ein Kondensator mit einer Kapazität, die ausreicht, sicherzustellen, daß selbst dann, wenn die Drähte 13 nach Einleiten des Arbeitsvorgangs des Systems unterbrochen werden, von dem Speicher 19 über die Drähte 18 Energie fließt, um die notwendigen Betriebsspannungen an den Leitungen 17 zu liefern.

Der anfängliche Empfang der Energie mittels der Einheit 16 ruft einen Rückstellimpuls an einer Leitung 21 hervor, der (direkt oder indirekt) zwangsläufig Impuls- Zähler 23 und 35 sowie logische Einheiten 30 und 40 auf einen geeigneten Anfangszustand schaltet. Der Diskriminator 16 enthält vorzugsweise auch eine Einrichtung zur Erkennung von über die Drähte 13 empfangenen Informationsträger- Zeitsteuerungsimpulsen und das Zuführen derselben über eine Leitung 22 zu der logischen Einheit 30. Der Inhalt des Zählers 23 wird mittels des Rückstellimpulses an der Leitung 21 so geschaltet, daß er einer vorbestimmten Anzahl N₁ gleich ist (die bei diesem Ausführungsbeispiel gleich "0" ist). Dem Zähler 23 werden unter Steuerung durch die logische Einheit 30 die Steuerimpulse über eine Leitung 31 zugeführt. Eine Adresseneinheit 25 nimmt über Leitungen 24 den Zustand des Zählers 23 auf und bestimmt, wann der Inhalt des Zählers 23 gleich einer zweiten vorbestimmten Anzahl N₂ ist, die größer als N₁ ist; zum Zeitpunkt dieser Gleichheit gibt die Adresseneinheit 25 über eine Leitung 26 ein erstes Steuersignal ab. N₂ ist die Adressennummer, die eine einzelne Verzögerungsschaltung 14 kenntlich macht und die durch die Gleichung

N₂ = M + m -1

bestimmt ist, wobei M eine Zahl ist, die größer als N₁ ist und die für alle Verzögerungsschaltungen 14 die gleiche ist, und m eine ganze Zahl ist die größer oder gleich "1" ist und kleiner oder gleich einer gewählten Zahl m₀ ist, die die maximale Länge der Folge von Verbrauchern (wie beispielsweise Zündköpfen) bestimmt, welche mit einer einzigen Eingabe an den Drähten 13 gezündet bzw. aktiviert werden können. Aus den Verzögerungs­ schaltungen mit der Adressennummer M, M + 1, M + 2, . . ., (M + m - 1) . . . (M + m₀ - 1) wird eine Reihe von Verzögerungsschaltungen 14 zur Zündung der Zündköpfe in zeitlicher Aufeinanderfolge gewählt. Bei diesem besonderen Ausführungsbeispiel werden dann in einer Reihe von Zündköpfen die Zündköpfe einzeln für sich entweder in ansteigender oder in abfallender Zahlenfolge der Adressennummer zur Explosion gebracht.

Eine weitere Adresseneinheit 28 nimmt über Leitungen 27 den Zustand des Zählers 23 auf und bestimmt, wann der Inhalt des Zählers 23 gleich einer vorbestimmten Anzahl N₃ ist, die größer als N₂ ist. Zum Zeitpunkt dieser Gleichheit wird über eine Leitung 29 ein zweites Steuersignal abgegeben. Bei irgendeiner Reihe von Zündköpfen kann N₃ für alle Verzögerungsschaltungen gleich sein oder (N₃ - N₂) für alle Verzögerungsschaltungen bei dem Ausführungsbeispiel gleich sein.

Ein Taktimpuls-Generator 34 erzeugt Taktimpulse, die gewünschtenfalls über eine Leitung 37 der Diskriminatoreinheit 16 zugeführt werden und die als Zeitmessungs- Mittel angewandt werden, gegenüber dem die Zeitperioden der Steuerimpulse erfaßt werden. Bei dem Ausführungsbeispiel werden jedoch andere Einrichtungen zur Unterscheidung gegenüber Steuersignalen mit falschen Impuls-Zeitperioden verwendet. Die Taktimpulse werden über eine Leitung 36 einem umsteuerbaren Digital-Zähler 35 zugeführt, der im Ansprechen auf ein drittes Steuersignal aus der logischen Einheit 30 an einer Leitung 32 entweder in Vorwärtsrichtung oder in Rückwärtsrichtung zählen kann. Das Zählen in dem Zähler 35 wird mittels eines vierten Steuersignals aus der logischen Einheit 30 an einer Leitung 33 begonnen und beendet. Der Rückstellimpuls an der Leitung 21 stellt den Zähler 35 anfänglich auf "0" und schaltet die logische Einheit 30 in einen Anfangszustand in der Weise, daß Steuerimpulse bei ihrem Empfang an der Leitung 22 über die Leitung 31 abgegeben werden, an der Leitung 32 ein Vorwärtszähl- Steuersignal abgegeben wird und an der Leitung 33 ein Steuersignal erzeugt wird, das das Zählen der Taktimpulse mittels des Zählers 35 unterbindet.

Auf den Empfang des ersten Steuersignals über die Leitung 26 hin wechselt die logische Einheit 30 den Zustand des vierten Steuersignals an der Leitung 33, um damit die Vorwärtszählung des Zählers 35 einzuleiten. Auf den Empfang des zweiten Steuersignals über die Leitung 29 hin wechselt die logische Einheit 30 das dritte Steuersignal an der Leitung 32, so daß die Richtung der Zählung mittels des Zählers 35 umgekehrt wird.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das zweite Steuersignal auch das Startsignal für die Zeitsteuerung des Verzögerungsintervalls von dem Zünden des Zündkopfs. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist das Startsignal jedoch so gestaltet, daß es bei einer vorbestimmten Anzahl von Steuerimpulsen nach dem Empfang des zweiten Steuersignals auftritt. Bei diesem alternativen Ausführungsbeispiel ist die logische Einheit 30 so ausgebildet, daß sie auf den Empfang des zweiten Steuersignals hin wieder das vierte Steuersignal ändert und dadurch das Zählen mittels des Zählers 35 beendet. Danach kehrt die logische Einheit 30 auf den Empfang einer weiteren Anzahl von Steuerimpulsen (die gleich "1" sein kann) (über die Leitung 22) hin die Richtung des Zählers mittels des Zählers 35 durch Änderung des dritten Steuersignals an der Leitung 32 (des Verzögerungs-Startsignals) um und leitet auch durch Änderung des vierten Steuersignals an der Leitung 33 die Gegenzählung ein. Bei diesen beiden Ausführungsbeispielen wird entweder (a) durch den Empfang des zweiten Steuersignals mittels der logischen Einheit 30 ein weiteres Durchlassen der Steuerimpulse über die Leitung 31 zu dem Zähler 23 unterbunden oder (b) der Zähler 23 so ausgebildet, daß über die Leitungen 27 der Zählerstand N₃ abgegeben wird, wenn die Anzahl der von dem Zähler 23 empfangenen Steuerimpulse gleich oder größer als N₃ ist. Der Zähler 23 kann auch so ausgebildet sein, daß ein Übertreten oder Übersteigen von N₃ unmöglich ist, um damit eine genaue Erfassung dieses Zustands sicherzustellen (siehe GB-PS 12 58 892).

Nimmt man die Erläuterung des dargestellten Ausführungsbeispiels wieder auf, so führt dann, wenn die Richtung des Zählers mittels des Zählers 35 umgekehrt worden ist, die logische Einheit 30 ein Anzeigesignal an einer Leitung 39 einer logischen Einheit 40 zu. Wenn der Inhalt des Zählers 35 auf "0" zurückgekehrt ist, wird an Leitungen 38 ein weiteres Anzeigesignal erzeugt und der logischen Einheit 40 zugeführt, woraufhin die logische Einheit 40 ein fünftes Steuersignal an einer Leitung 41 abgibt, welches bewirkt, daß ein Schalter 42 über Leitungen 20 und die Leitungen 15 den Energiespeicher 19 mit dem (in Fig. 2 nicht gezeigten) Zündkopf verbindet.

Die bei den in den Fig. 3, 4, 5 und 6 gezeigten Beispielen von Zeitsteuerungs-Ablauffolgen gewählten Werte N₁ = 0, M = 1 und m₀ = 6 dienen allein der Erläuterung. Ferner sind die Intervalle zwischen Steuerimpulsen ausschließlich für die Erläuterung als gleich gewählt. An den horizontalen Achsen ist die Zeit zusammen mit den Steuerimpulsen P₁, P₂, P₃ . . . und dem Inhalt des Zählers 23 dargestellt. Die vertikalen Achsen zeigen den Inhalt des umsteuerbaren Zählers 35 bei fortschreitender Zeit, wobei die einzelnen Stufen zur Verdeutlichung durch eine gerade Linie näherungsweise dargestellt sind.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 beginnt die Zählung mittels des Zählers 35, wenn der Zählstand in dem Zähler 23 die Adressennummer N₂ erreicht. Wenn der Zählstand in dem Zähler 23 N₃ = 7 erreicht, beginnen alle Verzögerungsschaltungen eine Umkehrzählung mittels des Zählers 35 und die Zündung der Zünder erfolgt bei I₁, I₂, I₃, . . ., I₆ in umgekehrter Zahlenfolge der Adressennummer N₂.

Wenn bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 der Inhalt des Zählers 23 N₃ = 7 erreicht, endet das Zählen mittels des Zählers 35. Der nächste Steuerimpuls P₈ wird nach einer vorbestimmten Verzögerung abgegeben, woraufhin alle Zündschaltungen eine Gegenzählung mittels des Zählers 35 beginnen, wodurch sich ein Zünden bei I₁, I₂, I₃ . . ., I₆ in umgekehrter Folge der Adressennummern N₂ ergibt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 beginnt die Vorwärtszählung, wenn die Adressennummer N₂ erreicht ist, während bei N₃ - N₂ = 6 die Zählung mittels des Zählers 35 umgekehrt wird und die Zündung bei I₁, I₂, I₃, . . ., I₆ in der Zahlenfolge der Adressennummern N₂ erfolgt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 endet das Zählen mittels des Zählers 35 bei N₃ - N₂ = 6 und wird nach einer Zählung von vier Steuerimpulsen umgekehrt.

Es ist ersichtlich, daß unter der Voraussetzung, daß die Frequenz des Taktimpuls-Generators zwischen der Vorwärtszählung und der Rückwärtszählung stabil ist, der Inhalt des Zählers bei der Umkehr und damit die genaue Taktfrequenz nicht von Bedeutung sind und alle (den Einschränkungen bei der Schaltungskonstruktion unterliegenden) Zeitmeß-Intervalle wirkungsvoll durch die genau gesteuerten Intervalle der Steuerimpulse über die Zuleitungsdrähte 12 und 13 bestimmt sind.

Die Komponenten einer jeweiligen Verzögerungsschaltung 14 mit Ausnahme des Energiespeichers 19 können alle oder teilweise als eine integrierte Schaltung auf einem Halbleiter-Plättchen zusammengesetzt werden und mit dem Energiespeicher und dem Zündkopf in einer Zünderkapsel bzw. einem Zündergehäuse zusammengebaut werden.

Vor der ausführlicheren Beschreibung bestimmter Schaltungsbeispiele wird die Gesamtfunktion des Systems nochmals zusammengefaßt. Unter System-Verschaltung gemäß der Darstellung in Fig. 1 wird die Zündsteuereinheit (FCU) in Betrieb genommen. Sie gibt über eine anfängliche Ladeperiode (siehe oberster Teil der Fig. 3) einen Gleichstrom für das Aufladen der Energiespeichervorrichtung (wie z. B. eines Kondensators) 19 an jeden entfernt liegenden Zündort ab. Nach dieser anfänglichen Ladeperiode (in der Größenordnung von beispielsweise 30 Sekunden) wird das Ausgangssignal der Zündsteuereinheit in zeitlich genau gesteuerten Intervallen kurz unterbrochen (siehe Fig. 3). Diese (bei dem Ausführungsbeispiel) negativ verlaufenden Impulse wirken als Zeitsteuerungs- Bezugs- oder Steuersignale und werden in einfacher Weise in einer kontinuierlichen Folge bis zum Abschluß des Sprengvorgangs abgegeben. Wie man sehen kann, kann auch eine komplexere Form von Zeitsteuerungs- bzw. Zeitmeß- Bezugssignalen angewandt werden.

Jeder einzelne elektronische Zünder 14 enthält einen "Voreinstellungs"-Zähler 23, der auf die Steuerimpulse durch die Erzeugung von zwei internen Steuersignalen anspricht. Das erste interne Signal tritt bei einem voreingestellten Zählstand des Zählers 23 auf, der mit einer bestimmten Verzögerungszeitdauer in Beziehung steht, welche für diesen bestimmten Zünder erwünscht ist. Das zweite interne Signal aus dem Zähler 23 entspricht dem maximalen Zählstand desselben und ist bei dem einfachen Ausführungsbeispiel für alle Zünder 14 das gleiche.

Ferner enthält jeder Zünder 14 einen "Vorwärts/ Rückwärts"-Zähler 35, der mittels eines internen örtlichen Taktimpuls-Generators 34 angesteuert wird. Bei diesem einfachen Ausführungsbeispiel, bei dem das Startsignal mit dem Ende des von der zentralen Zündsteuereinheit festgelegten, zeitlich genau gesteuerten Bezugsintervalls zusammenfällt, wird der Zähler 35 auf den Empfang des ersten internen Steuersignals aus dem Zähler 23 hin mittels des internen Takts aufwärts bzw. vorwärts betrieben und auf das Auftreten des zweiten internen Steuersignals aus dem Zähler 23 hin umgesteuert. Wenn der Vorwärts/Rückwärts-Zähler 35 (bei diesem einfachen Ausführungsbeispiel) seinen ursprünglichen Ausgangszählstand erreicht und der Voreinstellungs-Zähler 23 zuvor das zweite interne Steuersignal erzeugt hat (d. h., bei dem Ausführungsbeispiel seinen maximalen Zählstand erreicht hat), wird dann der Speicherkondensator 19 über seinen ihm jeweils zugeordneten, elektrisch betriebenen Zündkopf entladen, der ohne eine weitere wesentliche Verzögerung seinen Sprengzünder zündet. Dementsprechend wird bei diesem einfachen Ausführungsbeispiel die in einer vorgegebenen Verzögerungsschaltung 14 eingestellte tatsächliche Verzögerungsdauer durch die Zündsteuereinheit unmittelbar vor dem Funktionsvorgang des Systems als das Zeitintervall bestimmt, während welchem der Vorwärts/ Rückwärts-Zähler 35 in Vorwärtsrichtung zählen kann. Die mit einer vorgegebenen Schaltung während der nachfolgenden Rückwärtszählung des Zählers 35 tatsächlich erzielte Verzögerung ist in erster Linie hinsichtlich ihrer Genauigkeit von der Frequenzstabilität des internen Oszillators 34 über die Dauer des "Vorwärts"-Zählvorgangs und des "Rückwärts"-Zählvorgangs abhängig. Diese Genauigkeit ist jedoch nicht von der absoluten Frequenz des Oszillators abhängig, die innerhalb von Grenzen von einer Verzögerungsschaltung 14 zur anderen verschieden sein kann.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten einfachen Ausführungsbeispiel sind die Zünder entsprechend ihrer Zündfolge nummeriert, welche ihrerseits von dem dem Zähler 23 zugeordneten Voreinstellungs-Zählstand (d. h., N₂) abhängt. Bei diesem Beispiel wird ein Zünder immer in der Aufeinanderfolge zuerst gezündet, wenn er den höchsten Voreinstellungs-Zählstand N₂ hat.

Es können beispielsweise auch ungedämpfte und intermittierende Wechselstromsignale (zu Lade- bzw. Steuerzwecken) verwendet werden. Ein steuerbares Zeitintervall zwischen dem "Einstellen" und dem "Ausführen" einer vorgegebenen Verzögerung und das Hinzufügen einer Anzahl von anfänglichen "passiven" Zählungen mittels des Zählers 23 (für die Schaffung eines zusätzlichen Ausmaßes an Schutz gegen einen Durchbruch von ungewollten Steuersignalen) sind Änderungen der in den Fig. 4 bis 6 gezeigten allgemeinen Ausführungsart.

Bei dem Ausführungsbeispiel ist der Verzögerungs- Schaltungsaufbau aus im Handel erhältlichen integrierten CMOS-Schaltungen und einer Anzahl von diskreten Bauteilen zusammengesetzt. Für die Massenherstellung wird vorzugsweise die ganze Schaltung (mit der augenscheinlichen Ausnahme des Energiespeicherungs-Kondensators) unter Anwendung von normalen Herstellungsverfahren, für integrierte Schaltungen als eine integrierte "Einchip"-Schaltung gestaltet. Es ist auch möglich, einen elektrisch betriebenen Zündkopf selbst physikalisch an dem Substrat der integrierten Schaltung anzubringen oder mit diesem anderweitig zu verbinden. Das vorliegende Ausführungsbeispiel zeigt auch einen ungepolten Eingang, einen Schutz gegenüber statischen und elektromagnetischen Störungen, ein automatisches Rückstellen der unterschiedlichen elektronischen Schaltungen, bevor der Energiespeicherungs-Kondensator zum Zünden des Zündkopfs fähig ist, Impulsdauer- Diskriminatorschaltungen zur Aussiebung ungewollter Signale und einen Integrationsschaltungs-Leistungsschalter, der das Zünden des elektrisch betriebenen Zündkopfs ermöglicht.

Wie vorangehend ausgeführt wurde, können in einem Spreng-Gelände die zu irgendeinem vorgegebenen Zünder führenden Zuleitungsdrähte durch frühere Explosionen unterbrochen werden; es ist wesentlich, daß der Zünder unabhängig von einer derartigen Zuleitungsdraht-Unterbrechung weiterarbeitet. Dies bedeutet, daß die elektronische Verzögerungsschaltung genügend intern gespeicherte elektrische Energie zum wirkungsvollen Betreiben der elektronischen Einrichtung und zum Zünden des Zündkopfs bei Abschluß irgendeiner maximalen erwünschten Verzögerungsdauer (von beispielsweise einigen Sekunden) haben muß. Bei dem Ausführungsbeispiel wurde als Energiespeicherungs-Element ein Kondensator gewählt. Der Energiebedarf für den Betrieb der elektronischen Schaltungen wird durch Anwendung der Halbleitertechnologie für niedrige Leistungsaufnahme wie beispielsweise der bekannten integrierten CMOS-Schaltungen auf ein Mindestmaß herabgesetzt, welche in ihrem nichtgeschalteten Zustand sehr wenig Energie benötigen.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist jedoch ein beträchtlicher Energieverbrauch durch den internen Taktgenerator und die folgenden angesteuerten Schaltungen nötig, welche kontinuierlich geschaltet werden, falls sie nicht bei sehr geringen Spannungen (von beispielsweise weniger als 3 V) betrieben werden. Wenn dabei niedrigere Betriebsspannungen verwendet werden, können die Frequenzstabilitäts-Versorgungsspannungs-Kennlinien der zur Verfügung stehenden Oszillatorschaltungen so schlecht werden, daß die Verzögerungs-Genauigkeit beeinträchtigt wird, die mit diesen Schaltungen erzielbar ist. Es könnte zwar ein quarzgesteuerter Oszillator verwendet werden, jedoch würde dies notwendigerweise die Kosten für eine jede für den Verbrauch ausgelegten bzw. Einweg-Verzögerungs-Schaltung steigern. Bei höheren Betriebsspannungen kann der durch einen Oszillator verursachte Stromabzug einen beträchtlichen Abfall der Spannung an dem Speicherkondensator selbst bei hohen Kapazitätswerten (von beispielsweise 100 µF) verursachen. Dementsprechend ist es vorzuziehen, Verfahren zur Begrenzung eines derartigen Stromentzugs anzuwenden und/oder den Taktgeber vor einem Versorgungsspannungs-Abfall zu schützen, um damit einen nachteiligen Genauigkeitsverlust bei den Verzögerungszeit-Messungen zu vermeiden.

Wie in größeren Einzelheiten nachstehend beschrieben wird, wurden Versuche mit einem Oszillator mit einer integrierten CMOS-Schaltung (CD4047) ausgeführt, die in unterschiedlichen Schaltungsarten verwendet wurde. Die Schaltung CD4047 hat einen sehr geringen Leistungsbedarf und eine günstige Frequenzstabilitäts-Versorgungsspannungs-Kennlinie. Nichtsdestoweniger ist die mittels eines vorgegebenen Systems erzielbare Genauigkeit vom praktischen Standpunkt her gesehen durch die Größe und Güte eines verwendeten Speicherkondensators begrenzt. Der in Betracht zu ziehende Kapazitätsbereich hat eine untere Grenze, die durch den Bedarf für die Zündkopf-Zündung (mit annähernd 1 bis 10 mJ bei einer Stromstärke von annähernd 1,0 A), den Widerstand des elektronischen Schalters und in einem geringen Ausmaß den inneren Widerstand des Kondensators bestimmt ist. Diese untere Grenze ist unter Verwendung des vorliegenden Schalters mit vier Ohm und einem Zündkopf-Widerstand von 1 Ohm ungefähr 250 µF. Diese Grenze kann dadurch weiter abgesenkt werden, daß ein höherer Zündkopf-Widerstand und/oder (beispielsweise durch Verwendung von gesonderten Schaltkontakten) ein geringerer Schalter-Widerstand verwendet wird. Eine obere Grenze der Kapazität ist durch die Berücksichtigung der Größe und der Kosten bestimmt und kann in dem Bereich von 1000 µF bei 15 V liegen.

Andere die Wahl der Speicherkapazität und der Betriebsspannung beeinflussende Faktoren beziehen sich auf die Betriebssicherheit und die Sicherheit der Vorrichtung. Die für den Speicherkondensator notwendige Ladezeit ist vorzugsweise eine verhältnismäßig lange Zeitdauer, um damit einen Sicherheitsfaktor im Hinblick auf eine zufällige Inbetriebsetzung zu schaffen und die Kondensator-Leistungsfähigkeit nach langen Lagerungsdauern zu verbessern. Andererseits ist ein zu langes Abwarten dieser Zeitdauer in der Praxis häufig nachteilig. Weiterhin macht es eine hohe Betriebsspannung weniger wahrscheinlich, daß Störsignale wirkungsvoll in die logischen Schaltungen eindringen. Im Falle der Konstruktion einer speziellen integrierten Schaltungseinheit werden manche der vorstehend genannten Konstruktionsfaktoren abgeändert.

Das einfache Ausführungsbeispiel, das in Betrieb gesetzt wurde und das nun beschrieben wird, verwendet nur einen einfachen internen Oszillator und Spannungsstabilisier-Schaltungen, die begrenzte Leistungsfähigkeiten haben. Demgemäß hat der bei diesem einfachen Ausführungsbeispiel verwendete Vorwärts-Rückwärts-Zähler 35 nur acht Stufen, so daß der Oszillator notwendigerweise mit einer sehr niedrigen Frequenz schwingt und die erzielbare Genauigkeit durch die verhältnismäßig lange Taktperiode begrenzt ist. Wie nachstehend in größeren Einzelheiten beschrieben wird, hat der bisherige erfolgreiche Betrieb dieses Ausführungsbeispiels nichtsdestoweniger bewiesen, daß die Erfindung eine Verzögerungszeit-Genauigkeit ergibt, die weitaus besser als die bei herkömmlichen pyrotechnischen Verzögerungen erzielbare ist. Beispielsweise liegt die Genauigkeit, die durch Anwendung der Erfindung erzielbar ist, über den bestehenden Erfordernissen nach weniger als 0,1% während einer Verzögerung von 4 Sekunden. Für kürzere Verzögerungsdauern wäre die Größe des Fehlers weiter verringert. Da ferner nach der Zufuhr der Leistung zu einem elektrischen Zündkopf vor dem Explodieren der Haupt-Sprengladung mindestens eine geringe unvermeidbare Verzögerung auftritt und da diese verhältnismäßig geringen Verzögerungen Änderungen unterworfen sind, gibt es augenscheinlich eine obere Grenze für die von den elektronischen Zeitsteuerungs-Schaltungen geforderte Genauigkeit. Natürlich hängt dieser letztere Beitrag zu einer Veränderung bei der Explosion des Sprengstoffs nach der Leistungszufuhr zu dem elektrischen Sprengstoff auch in einem gewissen Ausmaß von dem verwendeten Wert der Speicherkapazität ab, was berücksichtigt werden sollte.

Wenn zur Speisung der elektronischen Verzögerungsschaltungen Wechselstrom-Leistung verwendet wird, kann der Schutz gegenüber einer zufälligen oder ungerechtigten Inbetriebsetzung der Schaltungen dadurch verstärkt werden, daß die Erfindung angewandt wird, die in der am eingereichten, gleichzeitig bestehenden, gemeinsam übertragenen Anmeldung von Dr. Andrew Stratton mit der Serial No. beschrieben ist.

Die Funktion der Zündsteuereinheit 10 besteht darin, die elektronischen Verzögerungs-Zünder zu laden, zu adressieren, zu programmieren und auszulösen. Die Einheit ist üblicherweise tragbar, robust (gegenüber Schlägen und Vibrationen unempfindlich) und für den Betrieb aus entweder öffentlichen Stromversorgungen oder Batterie-Stromversorgungen ausgelegt. Eine verhältnismäßig einfache Zündsteuereinheit 10 ist in Fig. 7 dargestellt. Für bestimmte Anwendungen können gründlicher ausgebildete Zündsteuereinheiten entworfen werden.

Das Ausgangssignal (oder im Falle einer Verwendung von mehr als einem Kanal die Ausgangssignale) der Zündsteuereinheit 10 nach Fig. 7 enthält ein anfängliches ununterbrochenes Ladesignal (in Form von Gleichstrom bei dem Ausführungsbeispiel), welches 25 Sekunden oder länger dauern kann. Danach wird diese Speisung mit Intervallen kurzzeitig unterbrochen. Diese Unterbrechungen bilden Steuerimpulse, mittels denen die einzelnen Zünder (oder Gruppen von Zündern, die die gleichen Zündernummern gemeinsam haben) adressiert werden, an den Zündern die Verzögerungen eingespeichert werden und die Zünder ausgelöst werden. Die hier als Beispiel beschriebene Zünderkonstruktion macht einen anfänglichen Ladestrom von ungefähr 5 mA erforderlich, der sich auf ungefähr 1 mA verringert, wenn die ausreichende Ladung eingetreten ist. Daher gibt zur Steuerung von 100 derartiger Vorrichtungen die Zündsteuereinheit 10 maximale Ströme von ungefähr 0,5 A ab. Dieser Zünder erfordert ferner ein Aufladen auf ungefähr 15 V und nimmt Steuerimpulse (bei Unterbrechung der Gleichstrom-Versorgung) mit einer Dauer von ungefähr 200 µs auf.

Nach Fig. 7 wird ein "Rückstell"-System (Leitung R) in Betrieb gesetzt, wenn Leistung zugeführt wird. Der Quarz-Oszillator und die zugeordnete Teiler-Kette arbeiten, jedoch gelangen aufgrund des Rücksetzzustands von Flipflops 100 und 200 keine Änderungssignale über NAND-Glieder 200, 400 und 500. Das System mit einem NAND-Glied 100 und einem Flipflop 300 ist jedoch voll funktionsfähig, solange Leistung zugeführt wird. Die Wirkungsweise dieses Systems ist folgende (siehe Zeitsteuerungs-Diagramm in Fig. 8):

Jeder positive Impuls bei A ergibt einen Rücksetz-Impuls an dem Flipflop 300, so daß bei Fehlen irgendeines positiv verlaufenden Signals bei B das Flipflop 300 im Rücksetzzustand verbleibt, wobei sein Ausgangssignal Q bei "0" bleibt (Punkt D). Wegen der Übertragungsverzögerung bei dem "Durchlaufen" der Signale durch die Teilerkette geht jedem positiv verlaufenden Signal bei B ein negativ verlaufendes Signal bei A voraus. Wenn daher ein positiv verlaufendes Signal bei B eintrifft, "taktet" das Signal "1" bei C (die Inversion von A) zu dem Ausgang Q des Flipflops 300. Der nächste positive Impuls bei A setzt das Flipflop 300 zurück, wodurch dieser Ausgang Q auf "0" zurückkehrt. Das folgende negativ gerichtete Signal bei B ergibt keine Einwirkung auf das Flipflop 300. Daher werden vom Anlegen der Leistung an Impulse mit annähernd 200 µs Dauer bei D unter Intervallen erzeugt, die mittels eines Schalters S 2 gewählt werden.

Wenn der Startschalter S 1 betätigt wird, wird das Flipflop 100 gesetzt, so daß dessen Ausgang Q auf "1" wechselt. Das Ausgangssignal des NAND-Glieds 500 wechselt auf "0", während die Impulse mit 10 Impulsen je Sekunde über das NAND-Glied 200 und das NAND-Glied 300 zu der Einheit 2⁸ gelangen, wobei diese von den positiv verlaufenden Flanken getriggert wird. Wenn ²8 Impulse durchgelaufen sind (d. h. nach ungefähr 25 s), wird durch einen Ausgangsimpuls das Flipflop 200 gesetzt, so daß dessen Ausgang Q auf "1" wechselt, wodurch das NAND-Glied 400 unmittelbar vor einem der kurzen positiv verlaufenden Impulse bei D durchschaltet. Danach werden die Impulse von D dem Ausgangssignal des NAND-Glieds 500 überlagert (Punkt X). Die allgemeine Form dieses Ausgangssignals ist in Fig. 9 gezeigt.

Nunmehr werden die Auswirkungen dieses Ausgangssignals auf nachfolgende Stufen betrachtet:

• (1) Wenn die Stromversorgung eingeschaltet wird, werden die verbleibenden drei Teiler auf "0" rückgesetzt. Das Eingangssignal bei X ist "1" und das Eingangssignal bei Y ist "0", so daß das Ausgangssignal eines NAND-Glieds 600 auf "1" gehalten wird. NAND-Glieder 1100, 1200 und 1300 erhalten jeweils ein Eingangssignal "0" von Y her und geben daher Ausgangssignale "1" ab. Bei dem Pegel "1" bei X zu diesem Zeitpunkt sind die Ausgangssignale von NAND-Gliedern 1400, 1500 und 1600 niedrig, d. h. auf "0".
• (2) Wenn der Startschalter betätigt wird, wechselt der Punkt X auf "0", so daß die Ausgangssignale der NAND-Glieder 1400, 1500 und 1600 ansteigen, d. h., auf "1" wechseln. Y ist weiterhin auf "0", so daß keine weiteren Änderungen auftreten.
• (3) Nach annähernd 25 s und unmittelbar vor dem Auftreten des ersten Impulses bei X wechselt Y auf "1", wodurch das NAND-Glied 600 durchgeschaltet wird und die NAND-Glieder 1100, 1200 und 1300 für die Steuerung durch NAND-Glieder 700, 800, 900 und 1000 freigegeben werden. Nur das NAND-Glied 1000 hat ein Ausgangssignal "0", so daß nur das NAND-Glied 1300 ein Ausgangssignal "1" hat. Die NAND-Glieder 1400 und 1500 sind daher geschlossen und nur das NAND-Glied 1600 ist geöffnet.

Sobald die positiven Impulse bei X eintreffen, werden sie über das NAND-Glied 1600 auf den Kanal A geschaltet. Die hintere Flanke der Impulse betätigt die "30"-Einheit, die zuvor rückgesetzt wurde. Das hintere Ende des 30. Impulses erzeugt ein Ausgangssignal für die erste "2"-Einheit, wodurch diese geschaltet wird. Danach wird das NAND-Glied 1600 geschlossen und das NAND-Glied 1500 geöffnet, wodurch die nächsten 30 Impulse zu dem Kanal B durchgeschaltet werden. Am Ende dieser Periode schalten beide "2"-Einheiten, so daß das NAND-Glied 1500 geschlossen wird und das NAND-Glied 1400 geöffnet wird, wodurch die nächsten 30 Impulse zu dem Kanal C durchgeschaltet werden. Am Ende dieser Periode schaltet wiederum die erste "2"-Einheit, so daß für die nächsten 30 Impulse alle drei Schaltglieder geöffnet werden. Danach wird dieser Verlauf bis zum Abschalten der Stromversorgung der Zündsteuereinheit wiederholt. Treiberverstärker-Einheiten A, B und C geben Leistungs-Ausgangssignale an die drei Kanäle ab. Die Ausgangssignal-Kurvenformen sind gleichfalls in Fig. 9 gezeigt.

Anmerkung:

Die hier beschriebene Zündsteuereinheit ist für Zünder vorgesehen, die einen fünfstufigen Voreinstellungs-Zähler 23 (0 bis 31) mit Zünder-Nummern von 1 bis 30 enthalten. Bei der Impuls-Ansteuerung aller drei Kanäle erhält jeder Kanal seinen 31. Impuls, wodurch alle Verzögerungszeiten übereinstimmend eingeleitet werden.

Als Beispiel ist ein elektronischer Verzögerungs-Zünder-Schaltungsaufbau 14 mit zunehmender Ausführlichkeit in den Fig. 2, 10 und 11 gezeigt. Die in Fig. 11 gezeigte spezifische Schaltung wurde dafür verwendet, die Ausführbarkeit des Systems zu demonstrieren; sie hat jedoch begrenzte Leistungseigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Verzögerungs-Genauigkeit. Beispielsweise haben der interne Oszillator und dessen Speiseschaltungen einen einfachen Aufbau; da nur eine begrenzte Anzahl von Teilerstufen enthalten ist, ist die Oszillatorfrequenz niedrig, was eine geringe Auflösungs-Fähigkeit für die tatsächliche Verzögerungszeit ergibt. Wie nachstehend in größeren Einzelheiten erläutert wird, kann jedoch eine weitaus größere Genauigkeit durch weiter ausgestaltete Schaltungskonstruktionen erzielt werden, die auf den gleichen Hauptprinzipien der Schaltungsfunktion wie die in dem Schaltungsbeispiel nach Fig. 11 begründet sind.

Die Fig. 10 ist einfach eine weniger ausführliche Darstellung der Fig. 11 und ist dazu beigefügt, das Verständnis der funktionellen Zusammenhänge in Fig. 2 zu erleichtern. Da für gemeinsame Elemente in den beiden Fig. 10 und 11 die gleichen Bezugszeichen verwendet werden, wird die in diesen Figuren beschriebene Schaltung im folgenden ausführlich nur unter besonderer Bezugnahme auf die Fig. 11 beschrieben.

Die in Fig. 11 dargestellten integrierten CMOS-Schaltungen sind mit den Buchstaben "IC" bezeichnet, denen eine zugeordnete Zahl für ein jedes gesonderte Substrat und ein Buchstaben-Anhang folgen, wenn mehrere Funktions-Schaltungsblöcke in Wirklichkeit in einem gemeinsamen Integrierschaltungs-Substrat eingegliedert sind. Wie vorangehend angedeutet wurde, können alle Schaltungselemente oder ihre Äquivalente (wahrscheinlich mit Ausnahme des Energiespeicherungs-Kondensators) gewünschtenfalls unter Verwendung der herkömmlichen Halbleiter-Technologie auf einem einzigen Sonderzweck-CMOS-Integrierschaltungs-Substrat ausgebildet werden. Die Bestimmung der entsprechenden, im Handel erhältlichen integrierten Schaltungen für das vorliegende Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 ergibt sich jedoch aus der folgenden Tabelle:

Tabelle 1
IC 1, 3, 4, 7 und 12:
CD 4013 (Zwei D-Flipflops)
IC 2:	CD 4023 (Drei NAND-Glieder mit drei Eingängen)
IC 5:	CD 4012 (Zwei NAND-Glieder mit vier Eingängen)
IC 6:	CD 4093 (Vier NAND-Schmitt-Trigger-Glieder mit zwei Eingängen)
IC 8 und 9:	CD 4029 (Voreinstellbarer Vorwärts/Rückwärts-Zähler)
IC 10 und 11:	CD 4075 (Drei ODER-Glieder mit drei Eingängen)
IC 13:	CD 40 109 (Vier Spannungspegel-Verschiebungsglieder zur Pegelverschiebung von "niedrig" auf "hoch")
IC 14:	CD 40 107 (Zwei NAND-Puffer/Treiber mit zwei Eingängen)

Die gestrichelten Linien und die Bezugszeichen wurden auch in die Fig. 11 aufgenommen, um deren Zusammenhang mit Fig. 2 zu zeigen. Die als Beispiel gewählten Schaltungen können folgendermaßen unterteilt werden:

• 1. Eingangsschaltungen,
• 2. Signalunterscheidung,
• 3. Zünderadressen-Schaltungen,
• 4. Verzögerungs-Schaltungen,
• 5. Ausgangsschalter.

Jede dieser funktionellen Unterteilungen ergibt die folgenden Merkmale und Betriebseigenschaften:

1. Eingangsschaltungen (i) Schutz gegenüber statischen und elektromagnetischen Störungen.

Zwei Zenerdioden (ZD 1 und ZD 2) sind in gegenpoliger Reihenschaltung zwischen die Reihenwiderstände an den Enden der Zuleitungsdrähte geschaltet. Wenn aufgrund einer statischen Entladung von einem Zuleitungsdraht zum anderen hohe Ströme fließen, führen die Zenerdioden praktisch diesen ganzen Strom und legen auch zusammen mit den Reihenwiderständen (R _S ) die an die nachfolgenden Schaltungen abgegebene Spannung auf einem annehmbaren Pegel fest. Mittels dieser Einrichtung werden die elektronischen Schaltungen gegenüber statischen Entladungen im Gegentakt (d. h. von Zuleitungsdraht zu Zuleitungsdraht) geschützt. Nach dem gleichen Verfahren werden elektromagnetische Störungen auf Spannungspegel begrenzt, die die elektronischen Schaltungen nicht beschädigen. Ein Schutz gegenüber statischen Gleichtakt-Entladungen (nämlich von einem der Zuleitungsdrähte oder beiden Zuleitungsdrähten zu dem Gehäuse) kann durch eine in geeigneter Weise angebrachte Isolation, die eine Entladung über eine Strecke sicherstellt, welche eine Beschädigung oder unbeabsichtigte Zündung ausschließt, und/oder durch einen Isoliertransformator geschaffen werden. Zur Bildung von sicheren Entladungsstrecken kann auch von einem Zuleitungsdraht oder von beiden Zuleitungsdrähten zum Gehäuse eine direkte Verbindung oder eine indirekte Verbindung über geeignete Vorrichtungen hergestellt werden.

(ii) Brückengleichrichtung

Es ist der Brückengleichrichter (BR 1) vorgesehen, so daß es nicht notwendig ist, beim Anschluß der Zünder an die Leitung die Polarität der Zuleitungsdrähte zu beachten.

(iii) Signal/Energiespeicherungs-Leitschaltungen

Da nur zwei Zuleitungsdrähte vorgesehen sind, haben sie den Ladestrom (zu dem elektrolytischen Kondensator) und die Steuersignale (zu der logischen Schaltung) zu führen. Die Trennung erfolgt mittels einer Diode (D 1), die in Reihe zu dem elektrolytischen Speicherkondensator (C 1) geschaltet ist. Wenn der anfängliche Ladeimpuls langer Dauer angelegt wird, fließt Strom über D 1 und über den Reihen-Strombegrenzungs-Widerstand (R 1) und lädt den Kondensator C 1 auf 15 V auf. Danach folgt die Anode der Diode D 1 frei den nachfolgenden Signal-Auslenkungen, wobei die Diode entgegengesetzt vorgespannt wird, wenn die Signalleitung sich in negativer Richtung verändert. (Ein Widerstand R _p dient zur Entladung der Signalleitung, die nur einem aktiven "Hochziehen" bzw. einer aktiven Spannungssteigerung unterzogen ist).

(iv) Rückstellsignal

Es ist notwendig, sicherzustellen, daß die unterschiedlichen Zwischenspeicher- und Zählschaltungen in einem geeigneten Zustand sind, bevor eine ausgeprägte Ladung des Kondensators C 1 auftritt. Um dies zu erzielen, wird ein Signal von C 1 abgeleitet, der für eine beträchtliche Zeitdauer nach dem Anlegen des Ladeimpulses ein niedriges Signal "0" aufrechterhält. Dieses Signal "0" wird über eine Diode (D 2) zu dem Eingang der Schaltung IC 6 C geführt und das invertierte Ausgangssignal als aktives "Rückstell"-Signal "1" verwendet. Da die Stromversorgung (V _DD ) für die folgenden Schaltungen über die Diode D 1 vom Einsetzen des Ladeimpulses an zur Verfügung steht, wird der Rückstellzustand schnell erreicht. Auf ein weiteres Laden hin wird D 2 entgegengesetzt vorgespannt, so daß die Spannung an dem Kondensator C 1 nicht länger die Rückstellschaltkreise beeinflußt, wobei ein Widerstand R 2 ein hohes Signal "1" in die Schaltung IC 6 C eingibt.

Auf diese Weise wird anfänglich ein hoher Rückstellimpuls "1" erzielt, dieser jedoch passend aufgehoben, bevor Steuersignale empfangen werden.

Anmerkung:

Ein Widerstand RL entlädt den Kondensator C 1 während einer langen Zeitdauer (von beispielsweise 5 Minuten). Dies stellt sicher, daß C 1 nicht durch Störungen über eine lange Zeitdauer hin aufgeladen wird und keine wesentliche Restladung (beispielsweise aus Prüfungen) behält. Andernfalls könnte der "Rückstell"-Vorgang unterbunden sein.

(v) Logikschaltungs-Versorgungsspannungs-Stabilisierung

Die Logikschaltungs-Versorgungsspannung (V _DD ) wird mittels einer Zenerdiode (ZD 3) auf nominal 5,6 V stabilisiert. Ein Widerstand R 3 führt dem System aus der Zündsteuereinheit über die Ladediode (D 1) oder, wenn diese Quelle nicht zur Verfügung steht (d. h., wenn die Zündsteuereinheit niedrige "0"-Signale zuführt oder wenn die Zuleitungsdrähte unterbrochen worden sind) von C 1 her über eine weitere Diode (D 3) Strom zu. Diese stabilisierte Spannung (V _DD ) begrenzt auch zusätzlich zur Festlegung des Pegels "1" auf der Rückstelleitung den Pegel "1" der Steuersignale über die Haltediode (D 4) und den Reihenwiderstand (R 4). Für die Ausgabeschaltungen steht die Gesamtspannung (V _CC ) an dem Speicherkondensator direkt zur Verfügung. V _SS ist eine gemeinsame Rückführungsleitung.

2. Signalunterscheidung

Für diesen Zweck ist ein Impulslängen-Diskriminator vorgesehen (siehe Zeitsteuerungsdiagramm in Fig. 12).

Anfänglich werden Flipflops IC 1 A und IC 1 B rückgestellt und die Zündsteuereinheit speist ein Signal "1" in die Signalleitung. Dieses Signal ergibt nach Inversion mittels der Schaltung IC 2 B ein niedriges "0"-Signal an die Takteingänge der Flipflops IC 1 A und IC 1 B. Das Q-Ausgangssignal "0" des Flipflops IC 1 A ergibt ein Ausgangssignal "1" aus der Schaltung IC 2 C, was bedeutet, daß alle drei Eingänge der Schaltung IC 2 A auf "1" stehen (da das Flipflop IC 1 A gleichfalls gesetzt worden ist) und das Ausgangssignal der Schaltung IC 2 A "0" ist. Wenn ein Eingangsimpuls empfangen wird, wechselt die Signalleitung auf das Ausgangssignal "0" aus der Schaltung IC 2 A. Zugleich wechselt das Ausgangssignal der Schaltung IC 2 B auf "1". Durch die Takt-Ansteuerung der Flipflops IC 1 A und IC 1 B entsteht keine Änderung, da beide D-Eingänge auf "0" stehen. Während der Dauer des Eingangsimpulses werden die Kondensatoren C 2 und C 3 über zugeordnete Reihenwiderstände R 6 bzw. R 7 positiv aufgeladen. Wenn der Eingangsimpuls endet (d. h., auf "1" wechselt), schaltet er die Ausgangssignale der beiden Flipflops (über die Schaltung IC 2 C). Die Ausgangssignale (Q von IC 1 A und von IC 1 B) werden beide dann und nur dann zu "1", wenn der Eingangsimpuls lange genug gedauert hat, den Kondensator C 2 auf die Schalt-Spannung von IC 1 A zu laden, jedoch nicht lange genug gedauert hat, den Kondensator C 3 auf die Schalt-Spannung von IC 1 B zu laden. Daher wird aus IC 2 C dann und nur dann ein Ausgangssignal "0" abgegeben, wenn die positive Dauer des Eingangsimpulses zwischen den beiden vorstehend genannten Grenzen liegt. Unter der Voraussetzung, daß der Kontaktstift 1 von IC 2 A im Zustand "1" verbleibt, wird daraufhin aus IC 2 A ein invertiertes Ausgangssignal "1" erzielt, das bis zum Eintreffen des nächsten Impulses am Eingang andauert, wobei das Schaltglied IC 2 C geschlossenen wird und die beiden Flipflops taktgemäß in den Rücksetzzustand gesteuert werden. (C 2 und C 3 werden am Ende des Eingangsimpulses über Dioden D 5 bzw. D 6 entladen, wobei sich an den D-Eingängen ein Signal "0" ergibt, das durch das positiv gerichtete Signal an den C-Eingängen zu den Q-Ausgängen übertragen wird.)

Damit wird insgesamt gesehen dann, wenn ein negativ gerichteter Impuls annehmbarer Dauer an den Diskriminator-Eingang angelegt wird ( und - gemäß nachstehendem - wenn der Kontaktstift 1 von IC 2 A auf hohem Pegel ist), ein positiver Ausgangsimpuls erzeugt, der vom Abschluß des Eingangsimpulses bis zum Eintreffen des nächsten Eingangsimpulses dauert.

3. Zünderadressen-Schaltungen (Siehe Zeitsteuerungsdiagramm in Fig. 13)

Die Schaltungen IC 3 und IC 4 bilden einen Zähler mit 16 Stufen (0 bis 16 in BCD), der durch die positiv gerichteten Flanken der Diskriminator-Ausgangsimpulse angesteuert wird. Anfänglich wird der Zähler auf Null "rückgesetzt". Der erste ansteigende Taktimpuls aus dem Diskriminator überträgt den Pegel "1" an den Anschlüssen und D von IC 3 A zu dessen Ausgang. Das Q-Ausgangssignal fällt ab und ruft keine Wirkung auf die nachfolgenden Stufen hervor. Der zweite ansteigende Taktimpuls überträgt den Pegel "0" an den Anschlüssen und D von IC 3 A zu dem Ausgang Q. Das Q-Ausgangssignal steigt an und überträgt den Pegel "1" an den Anschlüssen und D von IC 3 B zu dessen Ausgang Q. Das Ausgangssignal Q von IC 3 B fällt ab und ruft keine Wirkung auf die nachfolgenden Stufen hervor usw. Es ergibt sich eine Binärzählung, bei welcher IC 3 A das Bit mit dem niedrigsten Stellenwert und IC 4 B das Bit mit dem höchsten Stellenwert abgibt. Die vier einpoligen Umschalter S 1 A, S 1 B, S 1 C und S 1 D erlauben den Anschluß eines jeden Ausgangs einer jeden Zählerstufe an die vier Eingänge von IC 5 A. IC 5 A gibt ein Ausgangssignal "0" ab, wenn alle vier Eingangssignale auf "1" stehen, was durch geeignete Stellung der Schalter so gewählt werden kann, daß es irgendeinem Zählstand (0 bis 15) entspricht. Dieser voreingestellte Zählstand wird Zündernummer genannt (die tatsächlich auf 1 bis 14 eingeschränkt ist).

Auf ähnliche Weise erzeugt IC 5 B ein Ausgangssignal "0", wenn alle Q-Ausgangssignale der Zählerstufen auf "1" stehen (d. h., dem maximalen Zählstand 15 entsprechen).

Das aus IC 5 A erzielte Ausgangssignal "0" bei dem voreingestellten Zählstand wird mit IC 6 A invertiert, wobei diese Änderung des Flipflop IC 7 B setzt, das anfänglich rückgesetzt wurde. Wenn der voreingestellte Zählstand durchlaufen ist, verbleibt das Flipflop gesetzt.

Das bei dem letzten Zählstand (15) aus IC 5 B erzeugte Ausgangssignal "0" wird direkt zu dem D-Eingang des Flipflops IC 7 A geführt, das anfänglich mittels des "Rückstell"-Signals gesetzt wurde. Dieses D-Eingangssignal "0" wird durch das nächste positiv gerichtete Signal aus dem internen Oszillator IC 6 B taktgemäß in das Flipflop eingegeben. Das Flipflop IC 7 A wird auf diese Weise rückgesetzt und ergibt ein Q-Ausgangssignal "0", welches zu dem Kontaktstift 1 des Schaltglieds IC 2 A zurückgeführt wird und den Durchlaß irgendwelcher weiteren Eingangsimpulse über den Diskriminator zu den Zünderadressen-Schaltungen sperrt. Der Zählstand bleibt auf 15, während das Flipflop IC 7 A rückgesetzt bleibt.

Auf diese Weise wird in Zusammenfassung gesehen anfänglich der Ausgang des Flipflops IC 7 B auf "1" rückgesetzt und das Ausgangssignal Q des Flipflops IC 7 A auf "1" gesetzt. Sobald die Steuerimpulse eintreffen, schaltet der Zähler weiter; wenn der (der Zündernummer entsprechende) voreingestellte Zählstand erreicht wird, wechselt das Ausgangssignal Q des Flipflops IC 7 B auf "0". Auf ähnliche Weise wechselt das Ausgangssignal Q des Flipflops IC 7 B auf "0", wenn der maximale Zählstand 15 erreicht wird. Beide in die Flipflops eingegebenen Signale werden bis zur Zündung beibehalten.

Wie nun ersichtlich ist, können gewünschtenfalls höhere Zündernummern (mehr Zählstufen) vorgesehen werden und es kann statt des Zählers ein Schieberegister-System verwendet werden.

4. Verzögerungsschaltungen

IC 8 und IC 9 enthalten einen achtstufigen umsteuerbaren Zähler (Vorwärts/Rückwärts-Zähler) mit einer BCD-Aufnahmefähigkeit von 0 bis 255. Zur Steuerung der Zählgeschwindigkeit ist an die Takteingänge (C) des Zählers der Ausgang des internen Oszillators IC 6 B angeschlossen. Die Kupplung zwischen den Stufen ist intern mit Ausnahme dss Ausgangs C 0 der vierten Stufe (wobei die ersten vier Stufen in IC 8 sind), die an den Eingang CI der fünften Stufe (in IC 9) angeschlossen ist. Anfänglich ist das Zählen durch die P/E-Eingangssignale "1" aus dem Ausgangssignal Q von IC 7 B gesperrt; wenn jedoch dieses Ausgangsmaterial (bei dem voreingestellten Zählstand an dem Zündernummer-Zähler) auf "0" geschaltet wird, bewirkt der interne Oszillator TC 6 B eine Vorwärts-Taktsteuerung des Zählers. Wenn (bei dem maximalen Zählstand des Zündernummer-Zählers) das Ausgangssignal Q von IC 7 A auf "0" geschaltet wird, wird die Zählrichtung umgekehrt. Die durch die äußere Steuerung eingegebene Verzögerungszeit ist die Zeitdauer, während der der Vorwärts/Rückwärts-Zähler von Null vorwärts zählen kann, wobei diese Zeitdauer (innerhalb der Beschränkungen durch die Schaltungsgenauigkeit) gleich der Zeit ist, die dafür notwendig ist, mittels des Takts den Zähler auf Null zurückzusteuern. Wenn der Vorwärts/Rückwärts-Zähler auf Null zurückkehrt (d. h., wenn die Q-Ausgangssignale von allen acht Zählerstufen "0" sind), ist auch das Q-Ausgangssignal von IC 7 A "0". Diese neun Eingangssignale "0" von IC 7 A "0". Diese neun Eingangssignale "0" an den ODER-Gliedern IC 10 und IC 11 ergeben erstmalig nach Anlegen der Stromversorgung ein Ausgangssignal "0" an dem Stift 6 von IC 11. Dieses Ausgangssignal wird in IC 6 D invertiert und zum Setzen des Flipflops IC 12 verwendet (das zuvor rückgesetzt wurde).

Auf diese Weise bestimmen in Zusammenfassung gesehen die Eingangssteuersignale die Zeitdauer von dem voreingestellten Zählstand des Zündernummer-Zählers bis zu dessen maximalem Zählstand. Zu einem gleichen Zeitintervall nach diesem maximalen Zählstand wechselt das Q-Ausgangsintervall von IC 12 von "0" auf "1".

5. Ausgangsschalter

Da der Ausgangsschalter IC 14 aus dem Speicherkondensator C 1 gespeist wird, müssen die logischen Signale einen "1"-Wert von V _CC und nicht wie zuvor von V _DD haben. Daher ist IC 13 dafür vorgesehen, die Amplitude des hohen Ausgangssignals aus IC 12 von V _DD auf V _CC umzusetzen. Dieses am Ende der Verzögerungsperiode auftretende Ausgangssignal "1" schaltet den Ausgangsschalter IC 14 und entlädt C 1 über den Zündkopf. Danach zündet der Zündkopf.

Wie vorstehend ausgeführt wurde, kann die mit der Schaltung nach Fig. 11 erzielbare Genauigkeit dadurch gesteigert werden, daß die Taktfrequenz und die Anzahl der Zählerstufen gesteigert wird. Wie gleichfalls erörtert wurde, bestehen Einschränkungen hinsichtlich der erzielbaren Genauigkeit, die auf der Größe des verwendeten Speicherkondensators und dem Leistungsverbrauch durch die Oszillatorschaltungen beruhen. Es wurde die Leistungsfähigkeit von unterschiedlichen CMOS-Oszillatorschaltungen im Hinblick auf die Frequenzstabilität und den Leistungsverbrauch verglichen. Allgemein wurde festgestellt, daß der auf der Schaltung CD4047 beruhende Oszillator gegenüber anderen, gegenwärtig im Handel erhältlichen Möglichkeiten vorzuziehen ist. Eine grundlegende CD4047-Oszillatorschaltung ist in Fig. 14 gezeigt.

Die Fig. 15A bis 15C zeigen drei verschiedene Schaltungsanordnungen. In Fig. 15A ist der Oszillator direkt an die Stromversorgung angeschlossen. In Fig. 15B sind ein Reihenwiderstand Rs zur Begrenzung des Speisestroms und ein Kondensator Cp zum Ausgleich von Strom-Stoßbeanspruchungen während des Schaltens vorgesehen. Bei der letzten Schaltung nach Fig. 15C ist wiederum der Widerstand Rs enthalten, jedoch wird versucht, an dem Oszillator mit Hilfe einer Zenerdiode eine konstante Spannung aufrechtzuerhalten.

Für diese drei Anordnungen wurden der Stromverbrauch und die Frequenz des Multivibrators (Oszillators) über einem Bereich von Versorgungsspannungen gemessen, wobei in geeigneter Weise unterschiedliche Werte von zugeordneten Komponenten verwendet wurden. Gewählte graphische Darstellungen für die drei Systeme sind in den Fig. 16 und 17 gezeigt.

Wenn der Multivibrator aus einem Speicherkondensator einer vorgegebenen Kapazität C betrieben wird, der zuvor auf eine bekannte Spannung V₀ geladen wurde, ist es anhand der Strom/Versorgungsspannungs-Kurven möglich, die Restspannung V _t an dem Kondensator nach einer vorgegebenen Zeit t (durch aufeinanderfolgende Näherungen) zu

V _t = CV₀ - i _AV t

zu schätzen, wobei i _AV der Durchschnittsstrom während der Entladung ist. (Es ist möglich, dies genau auszuführen, da der Leistungsverbrauch der Schaltung CD4047 sich in bezug auf die Versorgungsspannung in einer Weise ändert, die insbesondere bei niedrigen Frequenzen weit von dem theoretischen Zusammenhang

P _diss = 2 CV²f

abweicht.)

Nach Abschätzung des Spannungsabfalls kann die durchschnittliche Frequenz von der Anfangsfrequenz über die Periode t (s) aus den entsprechenden Frequenzstabilität/Spannungs-Kurven abgeschätzt werden. Es ist dann möglich, den entsprechenden Verzögerungs-Fehler zu berechnen, der sich ergeben würde, wenn der Multivibrator als interner Oszillator des elektronischen Zünders verwendet wäre. Wenn die Leistungsabschaltung aus der Zündsteuereinheit unmittelbar bei Beginn der Zündstartzählung auftritt, würde der Fehler einen maximalen Wert haben, da die Oszillatorfrequenz während der ganzen Verzögerungsdauer auswandern würde.

Tabelle 2

Anmerkung:

Die durchschnittlichen Vorrichtungs-Ströme I _AV enthalten eine Zugabe für den Bedarf der mittels des Oszillators angesteuerten Schaltungen.

(Bei den folgenden Ausführungen ist eine maximale Verzögerung von 4 s angenommen.)

Die Tabelle 2 gibt Abschätzungen der Größe dieses maximalen Fehlers für unterschiedliche Kondensatorwerte und für gewählte Komponenten und Anfangszustände der betrachteten drei Versorgungs-Systeme an. Die Komponenten und die Bedingungen wurden im Hinblick auf die Verringerung der Frequenz-Trift - und entsprechend des Verzögerungs-Fehlers - gewählt, sie stellen jedoch nicht notwendigerweise optimale Bedingungen dar. Die tatsächlichen Werte der verwendeten Komponenten sind folgende:

Tabelle 3

Versuchsergebnisse mit gewählten Schaltungen haben gezeigt, daß die erzielbare Genauigkeit in guter Übereinstimmung mit der vorstehend gezeigten entsprechenden Schätzung ist.

Claims (8)

1. Elektrische Zeitsteuervorrichtung zur Zündaktivierung eines elektrischen Zündelements nach Ablauf eines vorbestimmten Verzögerungszeitintervalls, mit einem Signalempfänger, dessen Eingang mit einer externen Steuersignalquelle elektrisch verbunden ist und der auf deren Steuersignal anspricht, einer Zeitgebereinrichtung und einer durch die Zeitgebereinrichtung gesteuerten Schaltereinrichtung, die nach Ablauf des vorbestimmten Verzögerungszeitintervalls das Zündelement mit einer elektrischen Energiequelle zum Zünden desselben verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß die externe Steuersignalquelle (10) als Steuersignale elektrische Bezugszeitsteuerimpulssignale (P₁, P₂, . . .) erzeugt, daß die Zeitgebereinrichtung (34, 35) zusätzlich eine mit dem Signalempfänger (16) gekoppelte Signalwähleinrichtung (23, 25, 28, 30) aufweist, die eine voreingestellte Impulsüberwachungseinrichtung (23, 25, 28) zum Identifizieren zweier das gewünschte vorbestimmte Verzögerungszeitintervall charakterisierender Bezugsimpulssignale aus den Bezugszeitsteuerimpulssignalen und zum Erzeugen eines ersten Zeitsteuersignals bei Empfang des ersten charakterisierenden Bezugsimpulssignals und eines zweiten Zeitsteuersignals bei Empfang des zweiten charakterisierenden Bezugsimpulssignals, sowie eine Einrichtung (30) zum Erzeugen eines Verzögerungszeitintervall-Startsignals aus den Bezugszeitsteuerimpulssignalen entweder gleichzeitig mit oder nach dem Auftreten des zweiten Zeitsteuersignals aufweist, und daß die mit der Signalwähleinrichtung (23, 25, 28, 30) gekoppelte Zeitgebereinrichtung (34, 35) eine lokale Taktimpulsquelle (34) und eine Zeitgeber-Zähleinrichtung (35) aufweist, die die Anzahl der zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitsteuersignal auftretenden Taktimpulse zählt und das vorbestimmte Verzögerungszeitintervall bei Empfang des Verzögerungszeitintervall-Startsignals durch erneutes Zählen einer Taktimpulsanzahl bestimmt, die eine vorbestimmte Funktion der zuvor zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitsteuersignal gezählten Anzahl von Taktimpulsen darstellt.

2. Zeitsteuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsüberwachungseinrichtung eine voreingestellte Zähleinrichtung (23) zum Zählen der Bezugszeitsteuerimpulssignale und zum Bereitstellen der ersten und zweiten Zeitsteuersignale bei Übereinstimmung mit ersten und zweiten vorbestimmten Zählständen aufweist, die jeweils den beiden charakterisierenden Bezugsimpulssignalen entsprechen.

3. Zeitsteuervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die voreingestellte Zähleinrichtung einen Digitalzähler (23), eine erste (25, IC 5 A) und eine zweite logische Einrichtung (28, IC 5 B) zum Erzeugen des ersten und zweiten Zeitsteuersignals aufweist.

4. Zeitsteuervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste logische Einrichtung ein erstes Register (24, S 1 A, S 1 B, S 1 C, S 1 D), das auf einen Inhalt gesetzt ist, der dem ersten vorbestimmten Zählerstand entspricht, und einen ersten logischen Komparator (IC 5 A) zum Vergleichen des Zählstands des Digitalzählers mit dem Inhalt des ersten Registers aufweist und daß die zweite logische Einrichtung ein zweites Register (27), das auf einen Inhalt gesetzt ist, der dem zweiten vorbestimmten Zählerstand entspricht, und einen zweiten logischen Komparator (IC 5 B) zum Vergleichen des Zählstands des Digitalzählers mit dem Inhalt des zweiten Registers aufweist.

5. Zeitsteuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitgeber-Zähleinrichtung (35) einen elektronischen Zweirichtungs-Digitalzähler (35) aufweist, der zum Empfang der Taktimpulse des Taktimpulsgenerators (34) zum Einleiten der Zählung der Taktimpulse in Abhängigkeit vom ersten Zeitsteuersignal, zum Beenden der Zählung in Abhängigkeit vom zweiten Zeitsteuersignal, zum Einleiten des Zählens der Taktimpulse in umgekehrter Richtung in Abhängigkeit vom Verzögerungszeitintervall-Startsignal und zum Betätigen der Schaltereinrichtung bei Rückkehr des Zählstands des Digitalzählers zum ursprünglichen Zählstand verschaltet ist.

6. Zeitsteuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitgebereinrichtung eine Betätigungseinrichtung mit einer logischen Einrichtung (40) aufweist, die die Betätigung der Schaltereinrichtung für die Zündung des Zündelements lediglich dann erlaubt, wenn der Zähler der voreingestellten Zähleinrichtung zuvor einen vorbestimmten Zählstand erreicht hat.

7. Zeitsteuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalempfänger (16) eine Signaldiskriminatoreinrichtung (16) zum Identifizieren der Dauer oder der Frequenzkennlinie der Bezugszeitsteuerimpulssignale umfaßt, wobei lediglich Signale mit ausgewählter Dauer oder Frequenzkennlinie der Signalwähleinrichtung zugeführt werden.

8. Sprengmittel-Zündsteuersystem zum selektiven Erregen einer Reihe von elektrischen Zündelementen in vorbestimmter zeitlicher Reihenfolge, mit einer entfernt angeordneten Zünd-Steuereinheit zum Erzeugen einer Folge von elektrischen Bezugszeitsteuerimpulssignalen (P₁, P₂, P₃, . . .), und einer elektrischen Energiequelle zum Zünden der Zündelemente, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Zündelement eine elektrische Zeitsteuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, wobei die Zünd-Steuereinheit die Steuersignalquelle enthält, und die Signalwähleinrichtung (23, 25, 28, 30) jeder Zeitsteuervorrichtung individuell zur Identifizierung des ersten und zweiten charakterisierenden Bezugsimpulssignals aus den Bezugszeitsteuerimpulssignalen derart voreingestellt ist, daß die Zündung der Zündelemente in der gewünschten zeitlichen Reihenfolge erfolgt.