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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft einen elektronischen Detonator zur Einleitung
bzw. Initiierung von Explosionen. Die Erfindung betrifft insbesondere
einen elektronischen Detonator zur Einleitung von Explosionen bzw.
zum Auslösen
von Explosivstoffen, welcher eine elektronische Explosionseinleitungsvorrichtung
aufweist, mit:
einem Zündelement,
das eingerichtet ist, durch Anlegung eines Zündsignals mit einer Spannung
gezündet
zu werden, die größer als
eine vorgesehene Nicht-Zündungs-Spannung (VNF) ist, und
einer auf Betriebssignale
ansprechenden Betriebsschaltung, wobei die Betriebsschaltung eine
bidirektionale Kommunikationsschaltung und eine Speichereinrichtung
beinhaltet, die zu der Vorrichtung gehörige eindeutige Identitätsdaten
speichert.
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Die
Erfindung betrifft ebenso ein Explosionssystem bzw. Detonationssystem,
das eine Vielzahl der Detonatoren beinhaltet, ein Verfahren zur
Herstellung eines derartigen Detonationssystems und ein Verfahren
zum Prüfen
und zur Verwendung des elektronischen Detonators.
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Gemäß einer
Ausgestaltung betrifft die Erfindung insbesondere ein System, das
eine Identifikation von Detonatoren Vorort bzw. im Einsatzbereich
ermöglicht,
selbst wenn Kennzeichnungseinheiten oder Identifizierungsmarkierungen
an den Vorrichtungen entfernt worden sind oder unkenntlich gemacht
worden sind, sodass die Detonatoren bestimmten Zeitverzögerungen
zugeordnet werden können,
wobei die Integrität
der Verbindungen der jeweiligen Detonatoren zu einer Explosionsverkabelung
an Ort und Stelle und unter potentiellen Realbedingungen schnell
und leicht bestimmt werden können,
und das einen hohen Grad an Sicherheit unter Realbedingungen für das ein
Detonationssystem bzw. Sprengsystem installierende Personal bereitstellen
kann.
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BESCHREIBUNG
DES STANDS DER TECHNIK
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Die
EP-A-0588685 beschreibt einen Detonator mit einem integrierten elektronischen
Zündmodul, das
eine bidirektionale Kommunikationsschaltung, eine Zündeinrichtung
und eine Betriebsschaltung beinhaltet. Die Zündeinrichtung wird mit einer
Spannung geprüft,
die wesentlich unter einem maximalen Nicht-Auslöse-Intensitätsschwellenwert liegt. Die Zündeinrichtung
ist gegen ein simultanes Versagen von Steuertransistoren mittels
eines Widerstands geschützt.
Das System bietet jedoch nichts für die Situation, die entstehen
kann, wenn der Widerstand selbst versagt. Das System befasst sich
ebenso nicht mit dem Betrieb der Betriebsschaltung zum Zünden der
Zündeinrichtung
mit Spannungen, die über
der maximalen Nicht-Auslöse-Intensitätsschwellenspannung
liegt. Dieses Dokument stellt den nächsten Stand der Technik für die unabhängigen Ansprüche 1, 17
und 19 dar.
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Die
EP-A-0301848 beschreibt ein System, bei dem Detonatoren individuell
mit Energie versorgt werden, bevor sie mit Sprengstoffen in Detonationsöffnungen
geladen werden. Es wird auf die Integrität der elektronischen Schaltungen
zur Verhinderung von Unfällen
sowie auf die Tatsache vertraut, dass, wenn ein Unfall auftritt,
die Sprengkappe bzw. Detonationskappe aufgrund seiner selbst und
von einer Ansammlung von Explosionsstoffen bzw. Sprengstoffen entfernt
explodieren würde,
wodurch die Möglichkeit
einer Schädigung
von Bedienpersonal reduziert wird.
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Die
EP-A-0604694 beschreibt ein System, bei dem Programmier-, Armier-
und Zündfolgen durch
eine zentrale Steuereinheit von einem sicheren Punkt aus gesteuert
werden, nachdem ein Detonationssystem verdrahtet worden ist. Es
ist keine Beschreibung der Art bereitgestellt, nach der die einzelnen
Detonatoren hinsichtlich der Sicherheit geprüft werden. Dem System wird
keine Energie zugeführt, bis
das gesamte System installiert worden ist und mit der zentralen
Steuereinheit verdrahtet worden ist. Es wird keine Beschreibung
des Betriebs des Systems mit verschiedenen Spannungspegeln bereitgestellt.
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Die
US-A-4674047 beschreibt einen Detonator, der anscheinend unter Herstellungsbedingungen mit
einer Zeitverzögerung
vorprogrammiert wird. Es erfolgt keine Beschreibung eines Betriebs
des Detonators mit verschiedenen Spannungspegeln.
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Die
US-A-3258689 beschreibt ein Zündkopfprüfverfahren
zur Bestimmung der Zündungs-/Nicht-Zündungs-Grenze
des Zündkopfs.
Das darin beschriebene Verfahren ist zur Prüfung von in Mikroelektronikprozessen
erzeugten Brückenstrukturen
nicht geeignet, obwohl es zur Prüfung
von Kohlenbrückenzündköpfen geeignet
ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung ist in den Ansprüchen
1, 12, 17 und 19 beschrieben.
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Gemäß der Erfindung
ist ein elektronischer Detonator zur Einleitung von Explosionen
bzw. zum Auslösen
von Sprengstoffen bereitgestellt, welcher eine elektronische Explosionseinleitungsvorrichtung aufweist,
mit:
einem Zündelement
(16), das eingerichtet ist, durch Anlegung eines Zündsignals
mit einer Spannung gezündet
zu werden, die größer als
eine vorgesehene Nicht-Zündungs-Spannung (VNF) ist, und
einer auf Betriebssignale
ansprechenden Betriebsschaltung (56), wobei die Betriebsschaltung
eine bidirektionale Kommunikationsschaltung und eine Speichereinrichtung
beinhaltet, die zu der Vorrichtung gehörige eindeutige Identitätsdaten
speichert,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Zündelement
(16) nur durch Anlegen eines Zündsignals mit einer Spannung
gezündet
werden kann, die größer als
eine Nicht-Zündungs-Bestätigungstestspannung
ist, welche Nicht-Zündungs-Bestätigungstestspannung
kleiner als die vorgesehene Nicht-Zündungs-Spannung (VNF)
ist,
in Gebrauch die Betriebsschaltung (56) auf Betriebssignale
bei einer Spannung anspricht, die in einem Spannungsbereich liegt,
der die vorgesehene Nicht-Zündungs-Spannung
(VNF) und die Nicht-Zündungs-Bestätigungstestspannung
umspannt, und dessen Bereich eine untere Grenze aufweist, die größer als
0 Volt ist,
und
dass in Gebrauch auf die Identitätsdaten über die
Betriebsschaltung durch eine externe Einrichtung als Reaktion auf
ein Betriebssignal mit einer Spannung zugegriffen werden kann, die
in dem ersten Spannungsbereich liegt und die unter der Nicht-Zündungs-Bestätigungstestspannung
liegt.
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Die
vorgesehene Nicht-Zündungs-Spannung kann
durch Testen bzw. Prüfen
einer oder mehrer Probeeinheiten, die aus einer Gruppe bzw. einem Satz
von elektronischen Detonatoren entnommen werden, die so ausgeführt sind,
dass sie im Wesentlichen gleichartig sind, da gleichartige Techniken bzw.
Verfahren in ihrer Herstellung verwendet werden.
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Erfindungsgemäß arbeitet
die bidirektionale Kommunikationsschaltung bei jeder Spannung in dem
Spannungsbereich, der die Nicht-Zündungs-Spannung und die Nicht-Zündungs-Bestätigungstestspannung
umspannt. Im Einzelnen kann die bidirektionale Kommunikationsschaltung
mit einer Spannung unterhalb der Nicht-Zündungs-Bestätigungstestspannung
zur Bereitstellung eines Zugriffs auf die Identitätsdaten
arbeiten.
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Somit
ist der Detonator derart ausgeführt, dass
die Betriebsschaltung im Verbindungszustand mit einer Betriebsspannung,
die in dem Bereich liegt und unter der vorgesehenen Nicht-Zündungs-Spannung
liegt, sich in einem verknüpften
Zustand befindet, in dem die Identitätsdaten aufgezeichnet bzw. festgehalten
werden können.
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Die
Betriebsschaltung kann zur automatischen Übertragung von die Identitätsdaten
beinhaltenden vorprogrammierten Daten als Reaktion auf ein bestimmtes
Anfragesignal oder nach der Versorgung des Detonators mit Energie
bzw. nach dessen Einschalten eingerichtet sein.
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Bei
einer Verbindung zu der Betriebsspannung spricht die Betriebsschaltung
vorzugsweise auf ein extern zugeführtes Steuersignal an, durch
welches die Betriebsschaltung in einen unverbundenen bzw. nicht
verknüpften
Zustand geschaltet werden kann, in dem der Detonator gezündet werden
kann. Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel kann
auf die Identitätsdaten
nicht zugegriffen werden, wenn die Betriebsschaltung sich in seinem
unverbundenen bzw. nicht verknüpften
Zustand befindet.
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Der
Detonator kann zumindest eine zu dem Zündelement benachbarte Struktur
beinhalten, die gegenüber
einer mechanischen Beschädigung
empfindlicher als das Zündelement
ist.
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Das
Zündelement
kann jedem geeigneten Mechanismus entsprechen und kann beispielsweise einer
durch eine Brücke
ausgebildeten Halbleiterkomponente entsprechen oder kann aus jedem
weiteren geeigneten Mechanismus bestehen.
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Für den Fall,
dass eine Brücke
als das Zündelement
verwendet wird, können
beispielsweise eine oder mehrere Verbindungen, die physikalisch
weniger robust als die Brücke
sind, benachbart zu der Brücke
angeordnet sein und können
elektrisch oder in jeder weiteren Weise hinsichtlich einer mechanischen
Beschädigung überwacht
werden. Die Betriebsschaltung kann beispielsweise eine Einrichtung zur Überwachung
der Verbindung oder der Verbindungen und zum Betriebsunfähigmachen
der Brücke beinhalten,
falls eine mechanische Beschädigung der
Verbindung oder der Verbindungen erfasst ist.
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Der
Detonator kann eine Einrichtung zur Erfassung der Polarität jeder
zu der Vorrichtung hergestellten elektrischen Verbindung und zum
Analysieren bzw. zum Festlegen der Polarität der Verbindung beinhalten.
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Der
Detonator kann eine an ihm angebrachte Kennzeichnungseinheit aufweisen,
die eine Zahl oder einen Code angibt, der den Identitätsdaten
entspricht oder der auf den Identitätsdaten beruht. Die Kennzeichnungseinheit
kann beispielsweise an Leitungsdrähten des Detonators angebracht
sein und elektronisch, mechanisch oder optisch lesbar sein.
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Der
Detonator kann eine Erfassungsschaltung, die eine dem Detonator
zugeführte
Spannung überwacht,
und eine Einrichtung zur Begrenzung der Spannung auf einen unter
der vorgesehenen Nicht-Zündungs-Spannung
liegenden Pegel beinhalten. Alternativ oder zusätzlich kann die Erfassungsschaltung
ein Warnsignal erzeugen, falls die Spannung einen vorbestimmten
Pegel überschreitet.
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Die
Erfindung betrifft ebenso ein Detonationssystem bzw. Explosionssystem,
das eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Detonatoren und zumindest eine
erste Steuereinheit beinhaltet, mit welcher die Detonatoren verbunden
sind, welche keine interne Energiequelle aufweist und welche zur
Aufzeichnung zumindest der Identitätsdaten eines jeden mit ihr
in einer vorbestimmten Reihenfolge verbundenen Detonators eingerichtet
ist. Zeichnet die erste Steuereinheit die Identitätsdaten
eines jeden Detonators auf, ist sie vorzugsweise mit einer Energiequelle
verbunden, die eine maximale Spannungsausgabe unterhalb der Nicht-Zündungs-Bestätigungstestspannung aufweist.
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Das
Explosionssystem kann eine zweite Steuereinheit beinhalten, die
zur Zuweisung einer jeweiligen Zeitverzögerung zu einem jeden der Detonatoren über die
erste Steuereinheit verwendet wird. Zur Zuordnung einer geeigneten
Zeitverzögerung
zu einem jeden jeweiligen Detonator können die in der ersten Steuereinheit
aufgezeichneten Identitätsdaten verwendet
werden.
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Die
Erfindung betrifft ebenso ein Explosionssystem, das eine Vielzahl
von erfindungsgemäßen Detonatoren,
eine Steuereinrichtung und eine von der Steuereinrichtung leitende
Verbindungseinrichtung beinhalten, mit welcher ein jeder der Detonatoren
in separater Weise verbindbar ist, wobei die Steuereinrichtung eine
Testeinrichtung zur Angabe der Integrität bzw. der Unversehrtheit der
Verbindung eines jeden Detonators mit der Verbindungseinrichtung, wenn
die Verbindung hergestellt ist, und eine Speichereinrichtung zur
Speicherung der Identitätsdaten von
einem jedem Detonator und der Sequenz beinhaltet, in der die Detonatoren
mit der Verbindungseinrichtung verbunden sind.
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Ist
der Detonator mit der Verbindungseinrichtung verbunden, ist in diesem
System vorzugsweise die Betriebsschaltung eines jeden Detonators
in einen verbundenen Zustand gestellt, der ermöglicht, daß durch die Steuereinrichtung
auf die Identitätsdaten
in dem Detonator zugegriffen wird.
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Die
Speichereinrichtung des Explosionssystems beinhaltet vorzugsweise
eine Einrichtung zur Speicherung einer auf einen jeden Detonator
bezogenen Positionsinformation. Das Explosionssystem ist vorzugsweise
zum Empfang einer einen jeden Detonator betreffenden Positionsinformation
von einem globalen Positionierungssystem eingerichtet.
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Bei
dem Explosionssystem beinhaltet die Steuereinrichtung vorzugsweise
eine Einrichtung zur Zuweisung von Zeitverzögerungen zu einem jeden Detonator.
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Die
Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Explosionssystems
mit den Schritten zum Verbinden einer Vielzahl von jeweils gemäß der Erfindung
ausgeführten
Detonatoren an jeweiligen gewählten
Positionen mit einer sich von einer Steuereinrichtung erstreckenden
Verbindungseinrichtung, zum Testen der Integrität bzw. der Unversehrtheit einer
jeden Verbindung in der Zeit, in der die Verbindung hergestellt
ist, zum Speichern in der Steuereinrichtung von einen jeden Detonator
betreffenden Identitätsdaten
und der Sequenz, in der die Detonatoren mit der Verbindungseinrichtung
verbunden sind, und zum Verwenden der Steuereinrichtung zum Zuweisen
vorbestimmter Zeitverzögerungen
zu den jeweiligen Detonatoren bereit.
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Das
Verfahren beinhaltet vorzugsweise den Schritt zum Speichern einer
einen jeden Detonator betreffenden Positionsinformation in der Steuereinrichtung.
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Die
Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zum Testen und zum Verwenden
eines erfindungsgemäßen elektronischen
Detonators mit den Schritten zum Testen der Integrität des Zündelements
durch Anlegen eines Zündsignals
mit der Nicht-Zündungs-Bestätigungstestspannung,
die geringer als die vorgesehene Nicht-Zündungs-Spannung ist, und, falls
die Integrität
des Zündelements
ausreichend ist, zum Aufnehmen des Detonators in ein Explosionssystem,
in dem der Detonator durch ein Zündsignal mit
einer Spannung gezündet
wird, die größer als
die vorgesehene Nicht-Zündungs-Spannung
ist.
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Das
Verfahren beinhaltet vorzugsweise den Anfangsschritt zum Verifizieren
der vorgesehenen Nicht-Zündungs-Spannung
durch Testen zumindest eines Probedetonators, der aus einer Menge
der elektronischen Detonatoren entnommen ist, welche ausgeführt sind,
dass sie im Wesentlichen gleich sind.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Ein
Ausführungsbeispiel
eines Detonators gemäß der Erfindung
wird nachstehend beispielhaft unter Bezugnahme auf die angefügte Zeichnung
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
zeichnerische Darstellung von Spannungscharakteristiken eines erfindungsgemäßen elektronischen
Detonators,
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2 eine
Querschnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Detonator,
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3 eine
Draufsicht eines Abschnitts des Detonators gemäß 2 in einer
vergrößerten Darstellung
bzw. in vergrößertem Maßstab,
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4 eine
Seitenansicht des Detonators gemäß 3,
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5 eine
Ansicht bezüglich
eines Endes des Detonators gemäß 3,
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6 eine
Ansicht in vergrößertem Maßstab der
integrierten Schaltung des Detonators gemäß 3,
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7 ein
Blockschaltbild der integrierten Schaltung gemäß 6,
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8 ein
Blockschaltbild einer modifizierten integrierten Schaltung und
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9 und 10 jeweils
verschiedene Phasen in der Verwendung einer Vielzahl von Detonatoren
in einem Explosionssystem bzw. Detonationssystem.
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BESCHREIBUNG
EINES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Ein
Nicht-Zündungs-Strom
stellt eine bekannte Detonatorbrückencharakteristik
dar. Mit einer gut definierten Zündungsschaltung,
die beispielsweise durch Verwendung der Mikrochiptechnologie ausgeführt sein
kann, weist die Zündungsschaltung
inhärent
einen sehr gut reproduzierbaren Widerstand auf und ist die Nicht-Zündungs-Spannung daher bezüglich dem
Nicht-Zündungs-Strom vorhersagbar.
Die Nicht-Zündungs-Spannung
ist dem Wesen nach durch die Konstruktion der Brücke bestimmt und betrifft nicht
die korrekte Funktionsweise weiterer Schaltungen oder Komponenten.
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1 veranschaulicht
die Spannungscharakteristik einer elektronischen Vorrichtung zum
Einleiten von Explosionen bzw. zum Auslösen von Sprengstoffen eines
Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Detonators.
Die Vorrichtung weist eine festgelegte Nicht-Zündungs-Spannung VNF an einem
mittleren Pegel in dem Bereich von 0 bis 30 Volt auf. Proben bzw.
Probeexemplare, die aus einer Vielzahl von unter im Wesentlichen
gleichartigen Bedingungen hergestellten Vorrichtungen entnommen werden,
werden zur Ermittlung einer Spannung getestet bzw. geprüft, bei
der keine der Proben zündet. Für die verbleibenden
Vorrichtungen in dieser Menge wird dann unterstellt, dass sie die
getestete bzw. geprüfte
Nicht-Zündungs-Spannung
aufweisen.
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Wie
in 1 angegeben, ist eine Spannung unter der festgelegten
Nicht-Zündungs-Spannung zur
Zündung
der Vorrichtung nicht ausreichend, während über der festgelegten Nicht-Zündungs-Spannung
die Vorrichtung durch Senden der korrekten Steuersequenzen gezündet werden
kann. Betriebs- und bidirektionale Kommunikationsschaltungen, die mit
der Vorrichtung verknüpft
sind, funktionieren jedoch bei jeder Spannung in einem Spannungsbereich,
der die festgelegte Nicht-Zündungs-Spannung umspannt
und sich von unterhalb bis oberhalb der festgelegten Nicht-Zündungs-Spannung
erstreckt.
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Die
festgelegte Nicht-Zündungs-Spannung entspricht
einer Spannung, die den Anschlüssen
der Vorrichtung zugeführt
wird.
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Bei
der Produktion wird die festgelegte Nicht-Zündungs-Spannung einer jeden produzierten Vorrichtung
tatsächlich
als über
einer bestimmten Grenze liegend als Ergebnis eines Tests bzw. einer Prüfung bestätigt, die
an einer jeden der produzierten Vorrichtungen ausgeführt wird,
wobei während
der Prüfung
die Vorrichtungen mit dem in 1 angegebenen
Spannungspegel angesteuert werden und alle Schaltungen für einen
Versuch zur Zündung
der Vorrichtungen betrieben werden. Alle Vorrichtungen, die nicht
zünden,
passieren den Test. Dies stellt sicher, dass jede zu einer realen
Schaltung bei der Sicherheitstestspannung verbundene Vorrichtung
unter jedem Signalzustand nicht detonieren wird. Der vorstehend
angeführte
Bereich der Spannungen umspannt ebenso die Nicht-Zündungs-Bestätigungstestspannung.
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Die 2 bis 5 veranschaulichen
einen Detonator 10, der unter Verwendung einer elektronischen
Vorrichtung 12 zum Einleiten von Explosionen gemäß der in 6 dargestellten
Art ausgebildet ist. Die zuletzt angeführte Figur zeigt eine integrierte Schaltung 14 in
einem Brückenzündungselement 16, das
mit der Schaltung über
einen Zündungsschalter 18 verbunden
ist. Benachbart zu dem Brückenzündungselement
ist ein relativ dünner
und mechanisch schwächerer
Leiter 20, der als Sensor verwendet wird, wobei er ebenso
als Schutzring (guard ring) bezeichnet. Verbindungen mit der Schaltung
werden über
Anschlüsse 22 erzielt.
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Die 2 bis 5 zeigen
die mechanische Beziehung der Komponenten des Detonators und bestimmte
elektrische Verbindungen. Der Detonator beinhaltet ein röhrenförmiges Gehäuse 24,
in dem ein Zwischengehäuse 26 und
eine Grundladeeinheit bzw. Grundfüllung 28 vorgesehen
sind, welche beispielsweise aus PEAN oder TNT besteht.
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Das
Zwischengehäuse
beinhaltet einen Primärexplosionsstoff 30 wie
etwa DDNP, Bleistyphnat, Bleiazid oder Silberazid, eine Kopfeinheit 32,
ein Substrat 34, Widerstände 36 und einen Kondensator 38.
Unter Verwendung von Brücken
mit einer verbesserten Ausgabe, wie sie in dem SA-Patent-Nr. 87/3453
erwogen wird, kann das mittlere Gehäuse mit einem Sekundärexplosionsstoff
wie etwa PEAN oder RDX gefüllt
werden.
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Die
Kopfeinheit 32 entspricht einem Substrat, das kein Schaltungsmuster
aufweist. Wie es deutlicher in 4 veranschaulicht
ist, ist darin jedoch die integrierte Schaltung 14 angeordnet,
die die elektronische Vorrichtung 12 zum Einleiten von
Explosionen bildet.
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Das
Substrat 34 trägt
gemäß 3 ein
gedrucktes Schaltungsmuster, wobei, wie bereits angeführt, relativ
umfangreiche Komponenten wie etwa die Widerstände 36 und der Kondensator 38 an
dem Substrat angebracht sind.
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Elektrische
Verbindungen zwischen der Kopfeinheit 32 und dem Substrat 34 sind
mittels flexibler Verbindungsdrähte 40 ausgeführt. Alternativ können Flip-Chip-
bzw. Dickschicht- und bandautomatisierte Verbindungsverfahren bzw.
Verbindungstechniken zur Ausführung
der elektrischen Verbindungen verwendet werden.
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Das
Gehäuse 24 ist
an einem Ende 44 zu einem wellenförmigen Stöpsel 46 hin wellenförmig ausgebildet
(crimped), welcher ebenso als Verschluss zum Schutz der Komponenten
in dem Gehäuse 24 gegen
das Eindringen von Feuchtigkeit und Schmutz dient. Elektrische Leiter 48,
die sich von dem Substrat 34 erstrecken, tragen eine Kennzeichnungseinheit 50.
Eine einmalige Identitätsnummer, die
mit dem Detonator verknüpft
ist, wird in der Form eines Strichcodes an der Kennzeichnungseinheit
getragen. Die Nummer entspricht einer in der Schaltung 14 der
Vorrichtung 12 gespeicherten Nummer bzw. Zahl oder ist
mit dieser verknüpft.
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7 zeigt
ein Blockschaltbild der Schaltung 14. Die Schaltung beinhaltet
die nachstehenden grundlegenden Bestandteile: einen Brückengleichrichter 52,
ein Datenentnahmemodul 54, eine Steuerlogikeinheit 56,
einen lokalen Taktgeber 58, ein Seriennummer-EPROM 60,
ein Verzögerungsregister 62 und
eine Vergleichseinheit und eine Multiplexeinheit 64. Die
schmelzbare Verbindung 16 ist ebenso wie die Schutzkomponente
oder der Schutzring 20 veranschaulicht.
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In
der Schaltung gemäß 7 bilden
Komponenten R1, R2, Z1 und Z2 und ein Funkenspalt bzw. eine Funkenstrecke
SG eine Überspannungsschutzschaltung.
Die Spannung zwischen Punkten C und D ist durch Zenerdioden Z1 und
Z2 festgelegt. Ein Transistor Q1 wird zum Kurzschließen der
Punkte C und D, sowie zum Führen
eines Stroms durch die Widerstände
R1 und R2 während
einer Kommunikation zwischen der Vorrichtung 14 und einer
Steuereinheit verwendet – vergleiche 8 und 9.
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Der
Brückengleichrichter 52 richtet
die eingegebene Spannung gleich und speichert Energie in einem dem
Kondensator 38 von 2 entsprechenden
Kondensator C1. Die gespeicherte Energie wird zum Betrieb der Schaltung
nach Beendigung der Signalisierung verwendet.
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Das
Modul 54 bestimmt die Polarität mit Eingangsanschlüssen A und
B der Vorrichtung verbundenen Signals. Daten und Block sind in die
Signale zu dem Detonator eingebettet.
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Eine
Zenerdiode Z3 und ein Widerstand R3 werden zusammen mit der Logikeinheit 56 unter
Verwendung eines Transistors Q2 zum Halten bzw. Festlegen der eingegebenen
Spannung unter der Nicht-Zündungs-Spannung
verwendet, wenn die Vorrichtung eingeschaltet ist. Ein Widerstand
R4 und ein Transistor Q3 steuern den Ladevorgang eines Zündkondensators
C2. Ein Transistor Q4 hält
den Kondensator C2 bis zum Beginn eines Ladevorgangs entladen.
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Das
Brückenzündelement 16 wird
durch Laden des Kondensators C2 über
die festgelegte Nicht-Zündungs-Spannung und das
darauffolgende Einschalten eines dem Zündungsschalter 18 entsprechenden
Transistorschalters Q5 gezündet.
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Die
festgelegte Nicht-Zündungs-Spannung entspricht
der Spannung über
die Anschlüsse
A und B, wobei an diesen Anschlüssen
bei einer Verwendung eine Arbeitsspannung angelegt ist. Die Spannung,
die über
dem Element 16 auftritt, wird gleich wie die Spannung über den
Anschlüssen
A und B oder geringfügig
geringer als diese.
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Die
Schaltung gemäß 8 ist
im Wesentlichen identisch zu der gemäß 7, außer dass
ein einziger Kondensator C1 verwendet wird und der Kondensator C2
fehlt. Die Vorrichtung wird mit der dem Wesen nach sicheren Spannung 1)
getestet bzw. geprüft
und angeschlossen. Zum Zünden
der Vorrichtung wird ein Signal zur Außerbetriebsetzung der Halteeinheit
gesendet, wobei die Spannung über die
Nicht-Zündungs-Spannung
angehoben wird, und eine Zündungsbefehlsequenz
gesendet wird.
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In
beiden Schaltungen ist der Schutzring 20 mit der Steuerlogikeinheit 56 verbunden,
sodass die Integrität
des Zündelements 16 überwacht
werden kann. Dies beruht auf der Voraussetzung, dass der Schutzring,
der weniger robust als das Zündelement 16 ist,
gegen eine physikalische oder mechanische Beschädigung empfindlicher als das
Zündelement ist.
Falls die Vorrichtung 12 einer physikalischen Beschädigung oder
einer Verschleiß-
bzw. Abriebbeschädigung
während
der Herstellung ausgesetzt ist, würde folglich der Schutzring 20 vor
dem Zündelement
brechen. Eine Beschädigung
des Schutzrings kann beurteilt werden und die Vorrichtung 12 kann fallengelassen
bzw. aufgegeben werden, falls der Schutzring gebrochen ist.
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Das
EPROM 60 speichert eine einmalige Seriennummer oder Identifikationsnummer
bzw. Identitätsnummer,
die der Vorrichtung 12 zugeordnet ist. Die Nummer entspricht
dem an der Kennzeichnungseinheit 50 gehaltenen, strichcodierten
codierten Nummer oder ist mit dieser in einer gewünschten Weise
verknüpft.
Die einmalige Nummer ermöglicht der
Vorrichtung, individuell angesprochen bzw. adressiert zu werden.
Die Seriennummer kann abgefragt werden. Bei einer Ansteuerung bzw.
im Einschaltzustand veranlasst ein Lese-Identitäts-Befehl die verknüpfte Vorrichtung
zum Antworten. Eine Nicht-Verknüpfungs-Mitteilung bringt
eine Vorrichtung in einen Zustand ohne Verknüpfung. Nicht-verknüpfte Vorrichtungen
antworten nicht auf eine Lese-Identifikations-Mitteilung. Dies ersetzt
weitere Adressierungsschemata, wie beispielsweise eine Verkettung
(daisy chain).
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Wie
vorstehend angegeben, wird die Nicht-Zündungs-Spannung der Vorrichtung durch einen
Vorabtest an von einer Menge entnommenen Proben ermittelt. Die Betriebsschaltung
gemäß 7 ist
so ausgeführt,
dass sie über
einen Spannungsbereich betreibbar ist, der die Nicht-Zündungs-Spannung
umspannt, wie es gemäß 1 dargestellt
ist.
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Die
Schaltung 56 ist zur bidirektionalen Kommunikation mit
einer Steuereinheit eingerichtet, welche zur Steuerung einer Explosionssequenz
genutzt wird. Wie es vorstehend angegeben worden ist, kann die in
dem EPROM 60 gehaltene Seriennummer zusammen mit weiteren
gewünschten
vorprogrammierten Daten zu der Steuereinheit übertragen werden, wenn die
Vorrichtung 12 abgefragt wird.
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Die
Integrität
der Brücke 16 wird
indirekt durch Überwachung
der Integrität
des Schutzrings 20 überwacht.
Jede Beschädigung
des Schutzrings wird automatisch einer Steuereinheit berichtet.
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Es
ist gemäß den 2 bis 5 anzumerken,
dass die Vorrichtung 12 mechanisch in der Kopfeinheit 32 angeordnet
ist und dass zusätzliche
Schaltungskomponenten an dem Substrat 34 ausgeführt sind.
Die flexiblen Verbindungsdrähte 40,
die das Substrat mit der Kopfeinheit verbinden, stellen besonders
zuverlässige
Verbindungseinrichtungen dar. Die Flexibilität bzw. Biegsamkeit und das
geringe Gewicht der Verbindungsdrähte reduziert die Wahrscheinlichkeit
eines Bruchs und eines schlechten elektrischen Kontakts. Eine derartige
Bewegung der Vorrichtung 12 bezüglich der Kopfeinheit 32 und
dem Substrat 34 kann während
der Herstellung, der Handhabung und der Verwendung in einer Umgebung
mit großen
Erschütterungen
auftreten.
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Die
Vorrichtung ist so ausgeführt,
dass ein nicht codiertes Signal bis 500 Volt, sei es Wechselspannung
noch Gleichspannung, zum Zünden
der Vorrichtung nicht verwendet werden kann.
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Transiente Überspannungen
bis zu 30 kV lösen
die Vorrichtung nicht aus.
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Die 9 und 10 veranschaulichen
die Verwendung einer Vielzahl von Vorrichtungen 10A, 10B, 10C usw.
in einem Explosionssystem. Einmalige mit den jeweiligen Vorrichtungen
verknüpfte
Nummern werden an jeweiligen Kennzeichnungseinheiten 50A, 50B, 50C usw.
getragen. Die Eingangsleiter 48 einer jeden jeweiligen
Vorrichtung sind mit einem Zweidraht-Netzsystem 80 in jeder
Polarität
verbunden, wobei die Verbindungsreihenfolge wie in den 9 und 10 angegeben
ausgeführt
ist. Die Seriennummern an den Kennzeichnungseinheiten sind zufällig, indem
sie mit der Verbindungsreihenfolge nicht korreliert sind.
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Die
Verbindungsordnung bzw. Verbindungsreihenfolge gemäß einer
Ausgestaltung der Anmeldung wird durch eine erste Steuereinheit 70 überwacht
und in dieser gespeichert, wobei sie keine eigene Energiequelle
aufweist und mittels ihrer Verbindung zu einer Testeinrichtung bzw.
Prüfeinrichtung 77 mit
Energie versorgt wird, welche in physikalischer Weise eine Energiequelle
(Batterien) mit einer maximalen Spannungsausgabe deutlich unterhalb
der Nicht-Zündungs-Bestätigungstestspannung
der elektronischen Vorrichtung zum Einleiten von Explosionen beinhaltet,
wodurch inhärent
Sicherheit während eines
Anschlusses bzw. einer Verbindung des Explosionssystems im Einsatzgebiet
sichergestellt ist. Danach wird eine zweite Steuereinheit 72 verwendet, die
Verzögerungsdauern
den Detonatoren unter Berücksichtung
ihrer Verbindungsreihenfolge zuordnet, wobei jedoch die Seriennummern
als Mittel zur Identifizierung der einzelnen Detonatoren verwendet
werden. Dies ermöglicht
das Erzielen einer gewünschten Zündsequenz
bzw. Zündfolge
in einfacher und doch effizienter Weise.
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Die
beschriebene Vorrichtung ermöglicht eine
Verbindung von Detonatoren im Einsatzgebiet, selbst wenn Kennzeichnungseinheiten
oder eine weitere Identifikationsinformation der Detonatoren verschwunden
sein sollten. Um dies zu erreichen, weist jeder Detonator intern
gespeicherte einmalige Identifikationsdaten auf. Um einen Detonator
anzusprechen, muss man die Identifikationsinformation des Detonators
haben, jedoch um die Identifikationsinformation zu erlangen, muss
der Detonator mit Energie versorgt werden bzw. angesteuert werden.
Es ist daher notwendig, einen Detonator zu haben, mit dem bei einer
bestimmten Spannung sicher gearbeitet werden kann.
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Die
festgelegte Nicht-Zündungs-Spannung entspricht
der Spannung über
den zwei Anschlüssen des
Detonators. Wie bereits angeführt,
wird die festgelegte Nicht-Zündungs-Spannung von Probeexemplaren
bestimmt und ist ein jeder in einem Zündsystem verwendete Detonator
vorab mit einer Nicht-Zündungs-Bestätigungsspannung
zur dahingehenden Sicherstellung getestet, dass er im Einsatzgebiet
mit der Spannung verwendet werden kann. Die Betriebsspannung und
die Kommunikationsspannung umspannen die festgelegten Nicht-Zündungs-Spannung und
die Nicht-Zündungs-Bestätigungstestspannung. Der
Detonator weist ebenso die Charakteristik auf, dass seine Identifikationsdaten
verfügbar
sind, wenn er mit Energie versorgt wird bzw. eingeschaltet ist.
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Ist
der Detonator im Einsatzgebiet an eine Kabelverbindung bzw. Verkabelung
angeschlossen und ist eine gute Verbindung hergestellt, wird automatisch
ein Signal erzeugt, um anzugeben, dass die Verbindung tatsächlich ordnungsgemäß ist. Wird
ein Signal nicht erzeugt, dann kann ein Techniker die Verbindung
unmittelbar nochmals ausführen.
Folglich ist ein automatischer Test bzw. eine automatische Prüfung der
Integrität
der Verbindung vorhanden. Das System hält automatisch die zeitliche
Abfolge der Verbindung bzw. des Anschlusses fest. In einem einfachen
Explosionssystem kann die zeitliche Folge manchmal gleich zu den
geografischen Positionen der Detonatoren sein. Dies ist jedoch nicht
immer notwendig, da eine Positionsinformation auf jede Weise wie
beispielsweise unter Verwendung eines globalen Positionierungssystems
bestimmt werden kann, welches genaue zu der Steuereinheit zu übertragende
Positionsdaten erzeugt. Daher ist es möglich, eine Abfolgeinformation
oder eine zeitliche Information verfügbar zu machen, die Identitätsdaten
eines jeden Detonators zu erlangen und die Integrität der Verbindung
eines jeden Detonators mit einem Explosionssystem zu testen. Danach
kann die Steuereinheit unter Berücksichtigung
der Detonatorsequenz bzw. der Detonatorabfolge und der Position
eines jeden Detonators zur Zuordnung von Zeitverzögerungen
zu den einzelnen Detonatoren zum Erreichen eines gewünschten
Explosionsmusters verwendet werden.
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Die
Zeitverzögerungen
können
unter Verwendung eines Algorithmus oder jedes geeigneten Computerprogramms
erzeugt werden, welcher bzw. welches verschiedene physikalische
Faktoren und das erforderliche Explosionsmuster berücksichtigt.
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Wird
ein Detonator betrieben, ist er, wie bereits ausgeführt, verknüpft und
kann eine bestimmte Information bezüglich dem Detonator von einer
Steuereinheit zu ihm gesendet werden, um den Detonator mit einer
Zeitverzögerungsinformation
programmieren zu können.
Nachfolgend wird der Detonator in einen nicht verknüpften Zustand
gebracht und kann in diesem Zustand zusammen mit allen den verbleibenden
Detonatoren des Systems, die ebenso nicht verknüpft sind, Rundübertragungsmitteilungen
bzw. Broadcast-Mitteilungen beispielsweise zum Zünden der Detonatoren empfangen.
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Zu
jeder Zeit kann ein Detonator verknüpft sein. Dies wird durch Senden
der Mitteilung mit der Identität
des fraglichen Detonators durch die Leitung erzielt.
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Ein
Hauptnutzen der vorstehend beschriebenen Vorrichtung stellt die
inhärente
bzw. die innewohnende Flexibilität
des Explosionssystems dar. Da die Integrität einer jeden Verbindung unmittelbar überwacht
wird, kann ein Instandsetzungsvorgang an Ort und Stelle gemäß den Erfordernissen
ausgeführt werden.
Ein jeder Detonator kann identifiziert werden, selbst wenn externe
Markierungen unkenntlich gemacht sind. Eine sequenzielle Verbindungsinformation
und Identitätsdaten,
welche zu einem jeden Detonator sich beziehen, sind automatisch
verfügbar. Eine
Positionsinformation kann auf einfache Weise erzeugt werden. Folglich
gibt es keine praktischen Beschränkungen
hinsichtlich einer Zuweisung von Zeitverzögerungen zu den einzelnen Detonatoren mittels
eines geeigneten Computerprogramms oder eines Algorithmusses, um
ein gewünschtes
Explosionsmuster zu erzielen.
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Ein
weiterer deutlicher Vorteil ergibt sich aus der Sicherheit, die
für das
Personal zur Installation des Systems erforderlich ist. Die Auslese,
die durch einen Testvorgang außerhalb
des Einsatzgebiets mit der Nicht-Zündungs-Bestätigungsspannung
stattfindet, die Verwendung von Betriebs- und Kommunikationsschaltungen,
die mit Spannungen unter der festgelegten Nicht-Zündungs-Spannung
und der Nicht-Zündungs-Bestätigungstestspannung
einer jeden Vorrichtung funktionieren und die Fähigkeit einer jeden Vorrichtung,
sich selbst zu „identifizieren", erzielen eine hohe
dem Explosionssystem innewohnende Sicherheitsstufe.