DE69615709T3 - Elektronische zündvorrichtung für explosivstoffe - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung ist in den Ansprüchen 1, 12, 17 und 19 beschrieben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Detonator kann zumindest eine zu dem Zündelement benachbarte Struktur beinhalten, die gegenüber einer mechanischen Beschädigung empfindlicher als das Zündelement ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Bei dem Explosionssystem beinhaltet die Steuereinrichtung vorzugsweise eine Einrichtung zur Zuweisung von Zeitverzögerungen zu einem jeden Detonator.
  • 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.
  • Das Verfahren beinhaltet vorzugsweise den Schritt zum Speichern einer einen jeden Detonator betreffenden Positionsinformation in der Steuereinrichtung.
  • 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.
  • 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.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Ein Ausführungsbeispiel eines Detonators gemäß der Erfindung wird nachstehend beispielhaft unter Bezugnahme auf die angefügte Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
  • 1 eine zeichnerische Darstellung von Spannungscharakteristiken eines erfindungsgemäßen elektronischen Detonators,
  • 2 eine Querschnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Detonator,
  • 3 eine Draufsicht eines Abschnitts des Detonators gemäß 2 in einer vergrößerten Darstellung bzw. in vergrößertem Maßstab,
  • 4 eine Seitenansicht des Detonators gemäß 3,
  • 5 eine Ansicht bezüglich eines Endes des Detonators gemäß 3,
  • 6 eine Ansicht in vergrößertem Maßstab der integrierten Schaltung des Detonators gemäß 3,
  • 7 ein Blockschaltbild der integrierten Schaltung gemäß 6,
  • 8 ein Blockschaltbild einer modifizierten integrierten Schaltung und
  • 9 und 10 jeweils verschiedene Phasen in der Verwendung einer Vielzahl von Detonatoren in einem Explosionssystem bzw. Detonationssystem.
  • BESCHREIBUNG EINES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die festgelegte Nicht-Zündungs-Spannung entspricht einer Spannung, die den Anschlüssen der Vorrichtung zugeführt wird.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • Die Integrität der Brücke 16 wird indirekt durch Überwachung der Integrität des Schutzrings 20 überwacht. Jede Beschädigung des Schutzrings wird automatisch einer Steuereinheit berichtet.
  • 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.
  • 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.
  • Transiente Überspannungen bis zu 30 kV lösen die Vorrichtung nicht aus.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Zeitverzögerungen können unter Verwendung eines Algorithmus oder jedes geeigneten Computerprogramms erzeugt werden, welcher bzw. welches verschiedene physikalische Faktoren und das erforderliche Explosionsmuster berücksichtigt.
  • 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.
  • Zu jeder Zeit kann ein Detonator verknüpft sein. Dies wird durch Senden der Mitteilung mit der Identität des fraglichen Detonators durch die Leitung erzielt.
  • 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.
  • 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.

Claims (20)

  1. Elektronischer Detonator (10) zur Einleitung von Explosionen, 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 Anlegung 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.
  2. Detonator nach Anspruch 1, welcher eine Kennzeichnungseinheit (50) aufweist, die eine Zahl oder einen Code anzeigt, welche oder welcher den Identitätsdaten entspricht oder auf den Identitätsdaten beruht.
  3. Detonator nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Betriebsschaltung (56) bei einer Verbindung mit der Betriebsspannung auf ein extern zugeführtes Steuersignal anspricht, durch welches die Betriebsschaltung in einen unverbundenen Zustand geschaltet werden kann, in dem der Detonator gezündet werden kann.
  4. Detonator nach Anspruch 3, wobei auf die Identitätsdaten nicht zugegriffen werden kann, wenn die Betriebsschaltung sich in seinem unverbundenen Zustand befindet.
  5. Detonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Zündelement (16) eine Brücke darstellt und wobei zumindest eine Kopplung (20), die physikalisch weniger robust als das Brückenzündelement (16) ist, benachbart zu dem Brückenzündelement (16) angeordnet ist.
  6. Detonator nach Anspruch 5, wobei in Gebrauch die Betriebsschaltung (54, 56) die Kopplung (20) überwacht und das Brückenzündelement unwirksam macht, wenn ein mechanischer Schaden an der Kopplung (20) erfasst ist.
  7. Detonator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einer Einrichtung (54) zur Erfassung der Polarität einer jeden zu dem Detonator hergestellten elektrischen Verbindung und zur Festlegung der Polarität der Verbindung.
  8. Detonator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer Erfassungsschaltung (Z3, R3, 56), die eine dem Detonator zugeführte Spannung überwacht, und einer Einrichtung (Q2) zur Begrenzung der Spannung auf einen Pegel unterhalb der vorgesehenen Nicht-Zündungs-Spannung (VNF).
  9. Explosionssystem mit einer Vielzahl an Detonatoren (10), wobei ein jeder Detonator einem Detonator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 entspricht, und mit zumindest einer ersten Steuereinheit (70), zu welcher die Detonatoren verbunden sind und welche keine interne Energiequelle aufweist und welche zur Aufzeichnung zumindest der Identitätsdaten eines jeden mit ihr in einer vorbestimmten Reihenfolge verbundenen Detonators eingerichtet ist.
  10. Explosionssystem nach Anspruch 9, wobei, wenn die erste Steuereinheit (70) die Identitätsdaten eines jeden Detonators aufzeichnet, sie mit einer Energiequelle verbunden ist, die eine maximale Spannungsausgabe unterhalb der Nicht-Zündungs-Bestätigungstestspannung aufweist.
  11. Explosionssystem nach Anspruch 9 oder 10, mit einer zweiten Steuereinheit (72), die zur Zuweisung einer jeweiligen Zeitverzögerung zu einem jeden der Detonatoren über die erste Steuereinheit (70) verwendet wird.
  12. Explosionssystem mit einer Vielzahl von elektronischen Detonatoren (10A, 10B, 10C, etc.), wobei ein jeder Detonator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgeführt ist, einer Steuervorrichtung (70, 72, 77) und einer von der Steuervorrichtung leitenden Verbindungseinrichtung (80), mit welcher ein jeder der Detonatoren in separater Weise verbindbar ist, wobei die Steuervorrichtung eine Testeinrichtung (77) zur Angabe der Integrität der Verbindung eines jeden Detonators mit der Verbindungseinrichtung (80), wenn die Verbindung hergestellt ist, und eine Speichereinrichtung (70) zur Speicherung der Identitätsdaten von einem jeden Detonator und der Sequenz beinhaltet, in der die Detonatoren mit der Verbindungseinrichtung (80) verbunden sind.
  13. Explosionssystem nach Anspruch 12, wobei die Betriebsschaltung eines jeden Detonators (10) im Falle einer Verbindung des Detonators mit der Verbindungseinrichtung (80) in einen verbundenen Zustand gestellt ist, der ermöglicht, dass durch die Steuervorrichtung (70, 72, 77) auf die Identitätsdaten in dem Detonator zugegriffen wird.
  14. Explosionssystem nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei die Speichereinrichtung (70) eine Einrichtung zur Speicherung einer einen jeden Detonator betreffenden Positionsinformation beinhaltet.
  15. Explosionssystem nach Anspruch 14, das zum Empfang einer einen jeden Detonator betreffenden Positionsinformation von einem globalen Positionierungssystem eingerichtet ist.
  16. Explosionssystem nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die Steuervorrichtung (70, 72, 77) eine Einrichtung zur Zuweisung von Zeitverzögerungen zu einem jeden Detonator beinhaltet.
  17. Verfahren zur Herstellung eines Explosionssystems mit den Schritten zum Verbinden einer Vielzahl von elektronischen Detonatoren an jeweiligen gewählten Positionen mit einer sich von einer Steuereinrichtung erstreckenden Verbindungseinrichtung, wobei ein jeder Detonator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgefüfrt ist, zum Testen der Integrität 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.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, mit dem Schritt zum Speichern einer einen jeden Detonator betreffenden Positionsinformatione in der Steuereinrichtung.
  19. Verfahren zum Testen und Verwenden eines elektronischen Detonators nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 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.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, mit dem 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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