-
TECHNISCHES
GEBIET
-
Diese
Erfindung betrifft elektrische und elektronische Sprengsysteme für Anwendungen
im Bergbau, und Zünder
sowie Initiatoren für
die Zünder.
-
WO
91/07637 beschreibt ein System zur Fernzündung von Sprengladungen, das
insbesondere für
Umgebungen mit hoher Fremdelektrizität vorgesehen ist. Das System
weist einzelne Steuereinheiten für
jede Sprengladung auf. Jede Steuereinheit ist mit ihrer jeweiligen
Ladung auf derartige Weise kurzgeschlossen, dass ein Induktionsstrom
in einer Sprengschaltung der Sprengladung vermieden wird, und sie
ist derart ausgebildet, dass sie die Ladung nur als Reaktion auf
mehrere durch Funk übertragene
Befehle scharfmacht und zündet,
die mit einer korrekten Abfolge ausgegeben und mit einer korrekten Frequenz
wiederholt worden sind. Das beschriebene System soll eine unbeabsichtigte
Zündung
von Sprengladungen vermeiden, insbesondere in Umgebungen, die hohen
Fremdelektrizitätspegeln
ausgesetzt sind. Diese Offenbarung umfasst die Merkmale des Oberbegriffs
von Anspruch 1.
-
ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
-
Gemäß der Erfindung
wird ein Sprengsystem geschaffen, das eine drahtlose Verbindung
aufweist, um ein erstes Signal, das eine erste Frequenz hat, an
mehrere Zünder
zu senden, die zum Empfangen drahtloser Signale geeignet sind, wobei
jeder Zünder
eine Logikschaltung aufweist, die durch ein zweites Signal mit einer
zweiten Frequenz gesteuert wird, welche wesentlich niedriger ist
als die erste Frequenz.
-
Bei
dem zweiten Signal kann es sich um ein Taktsignal handeln, das aus
dem ersten Signal abgeleitet werden kann.
-
Das
erste Signal kann ein Trägersignal
mit einer ersten Frequenz aufweisen. Die erste Frequenz kann im
Bereich von 200 MHz bis 100 GHz liegen. Die erste Frequenz beträgt vorzugsweise
ungefähr 400
MHz bis 500 MHz. Das erste Signal kann vorzugsweise ein Datensignal
aufweisen, das auf das Trägersignal
aufmoduliert ist. Es kann jede geeignete Modulationstechnik wie
z.B. Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation, Impulsbreitenmodulation,
Impulscodemodulation etc. verwendet werden.
-
Jeder
Zünder
kann eine Ladungsspeichervorrichtung aufweisen, die mittels des
ersten Signals geladen wird, während
die Zünder
energiebeaufschlagt werden. Die Ladungsspeichervorrichtung kann
einen Kondensator aufweisen. Gemäß weiteren Ausführungsformen
können
die Ladungsspeichervorrichtungen über eine physisch leitende
Verbindung aus einer gemeinsamen Ladungsquelle wie z.B. einer Batterie
heraus geladen werden.
-
Das
Ableiten des Taktsignals kann dadurch erfolgen, dass die Frequenz
des ersten Signals mittels einer Dividiervorrichtung herunterdividiert
wird. Die Taktfrequenz kann zwischen 1 kHz und 15 kHz und typischerweise
zwischen 4 kHz und 5 kHz liegen.
-
Die
Dividiervorrichtung kann für
mindestens einige der Zünder
gemeinsam vorgesehen sein, und Dividiervorrichtung kann mit einem
Empfänger,
der Teil der drahtlosen Verbindung ist, sowie mit mindestens einigen
der Zünder über eine
physisch leitende Verbindung verbunden sein.
-
Gemäß weiteren
Ausführungsformen
kann die Dividiervorrichtung für
jeden Zünder
eine jeweilige Dividierschaltung aufweisen.
-
Jeder
Zünder
kann einen elektrischen oder elektronischen Initiator mit einem
Hochfrequenzteil und einem Niedrigfrequenzteil aufweisen, wobei der Hochfrequenzteil
eine Funkfrequenzempfängerstufe aufweist,
und wobei die Ladungsspeichervorrichtung mit der Funkfrequenzempfängerstufe
und der jeweiligen Dividierschaltung verbunden ist.
-
Der
Niedrigfrequenzteil kann eine PLL-Schleife und einen lokalen Oszillator
aufweisen, der mit dem Ausgang der jeweiligen Dividierschaltung
verbunden ist und das Taktsignal an die als Teil des Niedrigfrequenzteils
vorgesehene Logikschaltung ausgibt.
-
Ein
Eingang der Logikschaltung kann über eine
Datenleitung mit einem Ausgang einer Pegeldetektionsschaltung in
dem Hochfrequenzteil verbunden sein. Die Logikschaltung kann durch
Verzögerungszeitdaten
in dem Datensignal derart programmierbar sein, dass sie einen Schalter
für den
Initiator betätigt,
um zu veranlassen, dass in der Ladungsspeichervorrichtung gespeicherte
Ladung in ein Schmelzelement des Zünders abgeleitet wird, und zwar
nach Ablauf einer durch die Verzögerungszeitdaten
bestimmten Verzögerungszeit
nach einem Befeuerungssignal.
-
Die
Dividiervorrichtung kann die erste Frequenz um ungefähr fünf Ordnungen
herunterdividieren, so dass die Frequenz des Taktsignals in der
Größenordnung
von 1 kHz – 15
kHz liegt.
-
Die
Hochfrequenz- und Niedrigfrequenzteile können auf einem einzigen Chip
integriert sein.
-
Gemäß weiteren
Ausführungsformen
können
die Hochfrequenz- und Niedrigfrequenzteile in separate erste bzw.
zweite Teile aufgeteilt sein, und der Ausgang der in dem ersten
Teil angeordneten Dividierschaltung kann über eine physisch leitende
Verbindung mit dem zweiten Teil verbunden sein. Der erste Teil oder
Hochfrequenzteil kann zu einer Mündung
oder einem Kragen eines Sprenglochs hin angeordnet sein, in dem
der Zünder
angeordnet ist, und der zweite Teil kann zu einem Bodenbereich des Lochs
hin angeordnet sein.
-
Die
drahtlose Verbindung kann zwischen einer Spreng-Fernsteuerung, die
einen Funkfrequenzsender aufweist, und einer Antenne vorgesehen
sein, die in enger Nähe
zu der Sprengsteuervorrichtung einerseits und den mehreren Zündern andererseits
angeordnet ist.
-
Gemäß weiteren
Ausführungsformen
kann die drahtlose Verbindung zwischen den mehreren Zündern und
einem Funkfrequenzsender vorgesehen sein, der in engerer Nähe zu den
Zündern
angeordnet ist. Die Antenne kann eine Linienquelle sein; beispielsweise
kann die Antenne ein Kabel aufweisen, das entlang der Länge einer
langen, relativ schmalen Sprengstelle verläuft.
-
Der
Funkfrequenzsender kann über
eine physisch leitende Verbindung mit der Sprengsteuervorrichtung
verbunden sein. Alternativ kann eine zweite drahtlose Verbindung
zwischen dem Funkfrequenzsender und der Speng-Fernsteuerung vorgesehen
sein.
-
Der
Umfang der vorliegenden Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zum
Betätigen
eines Sprengsystems mit folgenden Schritten:
- – Senden
eines ersten Hochfrequenzsignals RF an jeden von mehreren Zündern, die
in der Lage sind, ein derartiges Signal zu empfangen; und
- – Verwenden
eines zweiten Niedrigfrequenzsignals zum Steuern einer als Teil
jedes Zünders
vorgesehenen Logikschaltung.
-
Das
zweite Signal wird vorzugsweise aus dem ersten Signal abgeleitet,
indem die Frequenz des ersten Signals herunterdividiert wird.
-
Der
Umfang der vorliegenden Erfindung umfasst ferner einen Initiator
für einen
Zünder,
mit:
- – einem
Hochfrequenzteil mit einer Funkfrequenzempfängerstufe zum Empfangen eines
ersten Hochfrequenzsignals; und
- – einem
Niedrigfrequenzteil mit einer Logikschaltung, die durch ein zweites
Signal mit einer Frequenz gesteuert wird, die niedriger als die
Frequenz des ersten Signals ist.
-
KURZBESCHREIBUNG
DER BEIGEFÜGTEN ZEICHNUNGEN
-
Die
Erfindung wird nun – jedoch
nur als Beispiel – im
Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in den Folgendes gezeigt ist:
-
1 zeigt
ein generelles Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines elektronischen Sprengsystems
gemäß der Erfindung;
-
2 zeigt
ein Blockschaltbild eines elektronischen Initiators gemäß der Erfindung,
der Teil eines Zünders
in dem System gemäß 1 ist;
-
3 zeigt
ein generelles Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform
des Systems gemäß der Erfindung;
-
4 zeigt
ein generelles Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform
des Systems gemäß der Erfindung;
-
5 zeigt
ein generelles Blockschaltbild einer vierten Ausführungsform
des Systems gemäß der Erfindung;
und
-
6 zeigt
ein generelles Blockschaltbild einer fünften Ausführungsform des Systems gemäß der Erfindung.
-
BESCHREIBUNG
BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
-
Eine
erste Ausführungsform
eines gemäß der Erfindung
ausgebildeten Sprengsystems ist in 1 generell
mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet.
-
Das
System weist eine Sprengsteuervorrichtung 12 mit einem
Funkfrequenzsender 14 auf, der mit einer Antenne 16 verbunden
ist. Bei Betrieb sendet der Sender ein erstes Signal, das Digitaldaten aufweist,
die auf ein Trägersignal 18 mit
einer ersten Hochfrequenz f1 moduliert sind.
Die Digitaldaten werden von einer Datenerzeugungsvorrichtung erzeugt und
dienen zur Kommunikation mit mehreren elektronischen Zündern, die
Teil des Systems sind, und insbesondere zum Programmieren dieser
Zünder.
-
Das
System weist ferner mehrere gleichartige elektronische Zünder 22.1 bis 22.n auf.
Da die Zünder
baugleich sind, wird im Folgenden nur ein einziger Zünder 22.1 detailliert
beschrieben. Der Zünder 22.1 weist
einen elektronischen Initiator 24 und eine Sprengladung 26 auf.
Der Zünder 22.1 ist
in einem Loch 28.1 unter mehreren in gegenseitigen Abständen angeordneten
Sprenglöcher 28.1 bis 28.n platziert.
Der Initiator 24 ist über
einen Drahtleiter 30 mit einer Antenne 32 verbunden.
-
2 zeigt
ein detaillierteres Blockschaltbild des Initiators 24.
Die Antenne 32 ist über
den Drahtleiter 30 mit einer Funkfrequenz-(RF-)Empfängerstufe
verbunden, die einen Gleichrichter 34 aufweist. Ein Ausgang
des Gleichrichters 34 ist mit einer in Form eines Kondensators 36 ausgebildeten
Ladungsspeichervorrichtung verbunden, um den Kondensator mit der
in dem ersten Signal vorhandenen Energie zu beaufschlagen oder zu
laden. Der Ausgang ist ferner mit einer Pegeldetektionsschaltung 38 verbunden. Die
Pegeldetektionsschaltung ist mit einer Dividierschaltung 40 verbunden,
die dazu vorgesehen ist, den Hochfrequenzträger 18 mit der Frequenz
f1 auf ein Signal mit einer niedrigeren
Frequenz f2 herunterdividieren. Das Signal
mit der niedrigeren Frequenz f2 wird zum
Steuern einer PLL-Schleifen-Schaltung
und eines lokalen Oszillators 42 verwendet. Ein resultierendes
Niedrigfrequenz-Ausgangssignal s2 (f2) des lokalen Oszillators wird als Taktsignal
zum Steuern der Logikschaltung 44 verwendet. Die Logikschaltung 44 steuert
eine Umschalt-Schaltung 46, um nach einer für den Zünder vorgesehenen
vorbestimmten Verzögerungszeit
ein Schmelzelement 48 über
eine Stromleitung 50 mit dem Kondensator 36 zu
verbinden. Die Verzögerungszeit
wird typischerweise in eine Logikschaltung 44 programmiert,
und zwar mittels Verzögerungszeitdaten,
die mit geeigneter Rate auf das oben erwähnte Trägersignal aufmoduliert sind,
und unter Verwendung einer unverwechselbaren vorprogrammierten Adresse
der Vorrichtung. Die verschiedenen Schaltungen 34 bis 46 können auf
einem einzelnen Chip integriert sein. Diese Schaltungen beziehen
ihre elektrische Energie über eine
Stromleitung 52 aus dem Kondensator 36. Bei einigen
Ausführungsformen
können
der Träger
und die Daten heruntermoduliert werden, und bei anderen Ausführungsformen
wird nur der Träger
herunterdividiert.
-
Ein
Ausgang der Pegeldetektionsschaltung 38 ist über eine
Datenleitung 54 mit einem Dateneingang 56 der
Logikschaltung 44 verbunden. Ein in der Logikschaltung 44 vorgesehener
Komparator ruft die auf den Träger 18 aufmodulierten
und über
die Antenne empfangenen Daten in bekannter Weise ab. Wie bereits
erwähnt
besteht ein Beispiel der Digitaldaten in den Daten, welche die bereits
genannte Verzögerungszeit
betreffen und die in bekannter Weise von der Logikschaltung verwendet
werden, um den Schalter zu veranlassen, am Ende der betreffenden Verzögerungszeit – z.B. im
Abschluss an ein übliches "Feuer"-Signal – den Kondensator 36 mit
dem Schmelzelement 48 zu verbinden.
-
Die
Frequenz des Trägers
kann zwischen 200 MHz und 100 GHz liegen und beträgt typischerweise
400 MHz. Der Divisor der Dividiervorrichtung 40 beträgt typischerweise
105, so dass die Frequenz f2 in
der Größenordnung
von 4 kHz liegt. Die Frequenz f2 kann in
den Bereich von 1 kHz bis 15 kHz fallen. Die Modulation der Daten
auf den Träger
kann mit einer Rate in der Größenordnung
von 100 MHz erfolgen.
-
Somit
wird bei Betrieb die Hochfrequenz f1 des
Trägers
zum Laden des Kondensators 36 verwendet, während das
Signal s2 mit der niedrigen Frequenz f2 als Taktsignal für die Logikschaltung 44 verwendet
wird. Wenn die Logikschaltung auf der niedrigeren Frequenz f2 arbeitet, ist sie energieeffizienter als
bei der höheren
Frequenz f1.
-
In 3 ist
eine zweite Ausführungsform
des Systems gezeigt. Die Steuervorrichtung 12 sendet ein
Signal mit der Trägerfrequenz
f1 an einen Hochfrequenzteil 60 eines
geteilten Initiators 61. Der Hochfrequenzteil 60 weist
eine Dividiervorrichtung gemäß der obigen
Beschreibung und einen Niedrigfrequenz-Ausgang auf, der über eine
leitende physische Verbindung, die in Form normaler, kostengünstiger
Drähte 62 vorgesehen
ist, mit einem Eingang eines Niedrigfrequenzteils 64 des
Initiators verbunden ist, der mindestens die Logikschaltung 44,
den Schalter und das Schmelzelement enthält. Der Hochfrequenzteil kann
bei Betrieb an der Mündung
oder dem Kragenbereich des Sprenglochs angeordnet sein, und der
Niedrigfrequenzteil kann nahe der Ladung zu einem Bodenbereich des
Lochs hin angeordnet sein.
-
Bei
der dritten Ausführungsform
300 des Systems gemäß 4 hat
die Sprengsteuervorrichtung 12 eine geteilte Konfiguration.
Die Datenerzeugungsvorrichtung ist in einem ersten Teil 12.1 angeordnet,
und der Sender 14 ist Bestandteil eines separaten zweiten
Teils 12.2, der über
ein Verlängerungskabel 70 mit
dem ersten Teil verbunden ist. Die ersten und zweiten Teile sind
mit einem gegenseitigen Abstand d1 angeordnet,
der typischerweise 200 bis 3000 m beträgt. Der zweite Teil 12.2 ist
mit einem Abstand d2, der typischerweise
in der Größenordnung von
50 m liegt, von jedem der in den jeweiligen Zündlöchern 28.1 bis 28.n angeordneten
Zünder 22.1 bis 22.n angeordnet
-
In 5 ist
eine Sprengsteuervorrichtung 12 gezeigt, die über eine
Richtantenne ein Kommunikationssignal ausgibt, das Digitaldaten
aufweist, die auf einen Hochfrequenzträger 18 mit der Frequenz
f1 aufmoduliert sind. Eine gemeinsame und
zentrale Dividiervorrichtung 80, die über einen Empfänger mit
der Richtantenne 82 verbunden ist, dividiert die Trägerfrequenz
auf eine Niedrigfrequenz f2 eines Signals
s2 herunter. Das Signal s2 wird über eine
physisch leitende Verbindung 84 an die in den Zündlöchern 28.1 bis 28.n angeordneten
Zünder 22.1 bis 22.n gesendet.
Dieses Signal wird zur Energiebeaufschlagung der Zünder verwendet,
und jeder Zünder
weist einen Initiator auf, der eine Ladungsspeichervorrichtung, die
erforderliche Logikschaltung, den Schalter und das Schmelzelement
aufweist, wie oben beschrieben wurde.
-
In 6 ist
eine fünfte
Ausführungsform 90 des
Systems gezeigt. Die Sprengsteuervorrichtung 12 hat eine
geteilte Konfiguration mit einem ersten Teil oder Master-Teil 12.1 und
einem zweiten, Slave- oder Repeater-Teil 12.2. Der Slave-Teil 12.2 weist eine
einzelne Antenne 92 auf, die zur Kommunikation mit dem
Master-Teil über
eine drahtlose Verbindung 93 und zur Kommunikation mit
jeweiligen Zündern 22.1 bis 22.n ebenfalls über eine
jeweilige drahtlose Verbindung 95.1 bis 95.n dient.
Der Slave-Teil 12.2 weist somit einen Transceiver 94 auf,
und die einzelne Antenne 92 ist durch einen elektronisch
steuerbaren Schalter 96 entweder mit einem Empfänger des Transceivers 94,
der mit der Verbindung 93 zusammenwirkt, oder mit einem
Sender der Transceivers verbunden, um wie bereits beschrieben ein
erstes Hochfrequenzsignal an die Zünder 28.1 bis 28.n auszugeben.
-
Bei
weiteren Ausführungsformen
kann vorgesehen sein, dass das erste Signal nicht zur Energiebeaufschlagung
der Zünder
verwendet wird und dass das erste Signal einen Träger mit
der ersten Hochfrequenz und einem auf den Träger modulierten Datensignal
aufweist. Das Datensignal wird verwendet, um von einer entfernt
gelegenen Stelle 12 her über die drahtlose Verbindung
mit den Zündern
zu kommunizieren. Das Datensignal kann somit Adressdaten für einen
adressierten Zünder
und Verzögerungs zeitdaten
für diesen
Zünder
aufweisen, wie bereits beschrieben wurde. Bei diesen Ausführungsformen
können
die Zünder
jeweilige On-board-Stromquellen oder Batterien aufweisen. Alternativ
können Ladungsspeichervorrichtungen,
die in Form von Kondensatoren an diesen Zündern angeordnet sind, über eine
physische Verbindung wie z.B. die in 5 gezeigte
Verbindung 84 aus einer gemeinsamen Ladungsquelle wie z.B.
einer Batterie geladen werden. Jeder Zünder kann auch eine Funkfrequenz-Empfängerstufe
zum Empfangen der programmierten Daten über die drahtlose Verbindung
aufweisen. Dadurch würde
die für
die physische Verbindung erforderliche Unversehrtheit der Daten
reduziert, da die physische Verbindung zur Energiebeaufschlagung
der Zünder und
nicht zur Datenkommunikation verwendet wird. Die Schritte des Ladens
der Zünder 22.1,
des Programmierens der Zünder über die
Funkfrequenzverbindung und des Verarbeitens der Verzögerungszeitdaten
durch die Zünder
können
nacheinander durchgeführt
werden.
-
Bei
weiteren Ausführungsformen
kann das erste Signal 18 sowohl dazu verwendet werden,
die Zünder
in der oben beschriebenen Weise mit Energie zu beaufschlagen, als
auch dazu, mit den Zündern
in der oben beschriebenen Weise zu kommunizieren. Bei diesen Ausführungsformen
können
die Schritte des Ladens der Zünder
und des Programmierens der Zünder
im Wesentlichen gleichzeitig oder nacheinander durchgeführt werden.