KR100616806B1 - 개별 지연된 뇌관들로 된 발파 회로의 기폭 시스템 - Google Patents

Abstract

발파 동작을 수행하기 위해 현장에서 어떤 시간 지연을 사용하여 사전 프로그램되어 발파공에 설치될 수 있는 관련 뇌관(12)을 갖는 전기 뇌관 지연 어셈블리(24)가 개시되어 있다. 이 어셈블리는 먼저 원하는 시간 지연을 프로그램하기 위해 프로그래밍 기기(50)에 연결되고, 그런 다음에 전자 지연 어셈블리 내의 자기 결합 소자(24)에 의해 발파 장치(100)에 연결되며 또 자기 결합 소자를 통해 한 가닥의 도체 전선(22)에 연결된다. 전자 지연 어셈블리에서의 프로그램된 시간 지연은 전자 지연 어셈블리와 프로그래밍 기기 사이의 무선 통신 링크(6)를 통해 이중으로 검사될 수 있다.

Description

개별 지연된 뇌관들로 된 발파 회로의 기폭 시스템{SYSTEM FOR THE INITIATION OF ROUNDS OF INDIVIDUALLY DELAYED DETONATORS}

본 발명은 폭약 장치의 폭발에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가변 폭발 지연을 갖는 복수의 뇌관의 제어에 관한 것이다.

채굴 작업, 채석 작업 또는 건설 작업에서 암석을 발파함에 있어서, 각각의 개별 폭약의 폭발이 인접한 재산에 손괴나 방해를 유발하기에 충분할 정도의 진동 레벨을 주변의 암석에 발생시키지 않고 그 암석에 효과적으로 작용하여 그 암석을 파쇄 및 제거할 수 있도록 암석 덩어리에 뚫어놓은 발파공들에 개별 폭약들을 설치할 필요가 있다. 따라서, 각각의 폭약이 미리 정해진 순서로 점화하도록 각각의 개별 폭약 내에 하나 이상의 전극판(plate)을 가지며 또 나머지 폭약들이 서로 독립적으로 점화하도록 그 폭약들 사이에 시간 지연 간격을 갖는 발파 신관(blasting cap), 즉 뇌관(detonator)의 어레이를 활용하는 것이 필요하다.

현재, 여러가지 길이의 파이로테크닉 지연 소자(pyrotechnic delay element)의 점화에 의해 발생되는 서로 다른 지연 기간을 가지며 또 발파 신관이 점화 신호를 수신한 것과 첨장약(base charge)의 폭발 사이의 시간이 제조 중에 어떤 허용 오차 내에서 결정될 수 있도록 다양한 조성을 갖는 발파 신관(뇌관)을 사용하는 것 이 통상적이다. 이러한 기폭 시스템(initiation system)은 그와 관련된 몇가지 문제점을 가지고 있다. 서로 다른 폭발 지연이 요구되기 때문에, 서로 다른 시간 지연을 갖는 아주 많은 수의 발파 신관(뇌관)을 준비해두는 것이 통상적이다. 당업계에서는 예를 들어, 24 msec 또는 30 msec 간격으로 있는 30개의 폭발 지연이 통상적이다. 각각의 발파공마다 원하는 시간 지연이 결정되고, 원하는 시간 지연을 갖는 뇌관(발파 신관)이 폭약과 함께 그 발파공에 설치된다. 게다가, 뇌관과 발파공의 상단부를 연결시켜주는 각선(lead wire)은 일반적으로 뇌관에 하드-와이어(hard-wired)되어 있으며, 이 각선의 길이는 발파공의 여러가지 깊이에 맞게 다양해야 한다. 여러가지 깊이의 발파공의 필요성을 충족시키기 위해 10가지 또는 15가지의 각기 다른 각선 길이(lead wire length)를 제조하는 것이 보통이다. 그 결과, 설치자는 이용가능한 시간 지연과 여러가지 각선 길이의 다양한 조합을 갖는 다수의 뇌관, 즉 최대 400 가지의 서로 다른 뇌관 또는 장치를 입수해 두어야만 하고, 또 각각의 발파공에 특정의 뇌관(시간 지연/각선 길이)을 설치해야만 한다. 다양한 뇌관에 대한 여러가지 시간 지연/각선 길이에 요구되는 품목 일람은 아주 많다. 게다가, 정확한 지연 시간 또는 각선 길이가 없으면 특정의 폭약 또는 특정 그룹의 폭약을 기폭시키는 데 부적합한 뇌관을 사용하는 일이 생길 수 있다. 지연 타이밍은 제조 중에 설정되며, 이에 따라 특정의 발파에서 폭약들의 가장 효율적인 또는 적절한 타이밍을 달성하는 범위가 제한된다. 실제로는, 이러한 파이로테크닉 지연의 제조에 내재된 한계점들로 인해, 동일한 공칭 지연 시간의 발파 신관, 즉 뇌관이라도 꽤 상당한 차이가 있을 수 있다. 온도, 습도, 노후, 저장 및 취급의 효과는 모두 실제의 폭발 시에 실제로 발생되는 지연 시간의 정확성의 저하의 원인이 된다. 이에 따라 개별 폭약의 점화가 순서를 무시하고(out of sequence) 일어날 수 있으며, 이는 비석(fly-rock), 암석의 파쇄 불량, 및/또는 상당한 지반 진동 및 폭풍을 발생시킬 수 있다.

전기 발파 신관, 즉 뇌관은 전원으로부터 충분한 전기 에너지를 공급받으면 폭약의 폭발을 일으키게 된다. 필연적으로, 요구되는 에너지 레벨은 비교적 낮다. 무선 전송으로부터의 표유 전기 에너지(stray electrical energy), 정전기 축적, 고장난 장비로부터의 누전, 및 근처의 낙뢰 모두가 전기 뇌관의 조기 폭발의 원인이 되어 왔다. 이들 문제점 대부분을 극복하기 위해 비전기적 시스템(non-electric system)이 사용되어 왔지만, 이 시스템은 발파의 점화를 시도하기 전에 그 회로에 이상은 없는지 또 연결이 정확하게 되어 있는지를 테스트하는 것이 불가능하다는 단점이 있다. 전기 뇌관의 경우조차도, 지연 소자의 기능을 체크하는 것은 불가능하다. 그 결과, 일부 뇌관들이 불발하고, 그 불발 뇌관들이 암석 더미(rock pile) 속에 숨겨진 채로 있고 누구도 그것이 존재하는 것을 알지 못하는 위험한 상황이 발생하게 된다.

전기 지발 뇌관(electric delay detonator)의 안전성 및 신뢰성을 향상시키기 위해, 표유 전기 에너지 및 전류 누설로 인한 문제점들의 대다수를 극복하면서 그와 동시에 뇌관을 점화 회로에 연결시키는 아주 간단한 방법이 얻어지는 트랜스포머 결합(transformer coupling)을 비롯한 다른 수단들이 사용되어 왔다. "마그나뎃(Magnadet)" 뇌관이라고 알려진 장치에서는 각선을 현장에서 표준 발파-길이 뇌관 장치(standard shot-length detonator unit)에 연결할 수 있게 되어 있는 시스템을 제공함으로써 준비해야 할 품목 일람을 상당히 줄일 수 있었다. 예를 들면, 미국 특허 제4,297,947호 및 제4,425,849호를 참조하기 바란다. 그렇지만, 지연 시간 정확성과 관련된 문제점들은 종래의 파이로테크닉 지연 시스템으로부터 벗어남으로써만 해소될 수 있다.

전기적으로 타이밍이 조절되는 뇌관의 사용은 채굴 및 채석 작업에서 아직도 일상적으로 적용되고 있는 것은 아니지만, 지연 시간 정확성의 문제점에 대한 해결책을 제공하고 또 발파기에서 각 장치의 지연 시간을 결정할 수 있게 해준다. 예를 들어, 미국 특허 제4,324,182호, 제4,409,897호, 제4,646,640호, 제5,189,246호, 제5,282,421호, 제5,406,890호, 제5,520,114호, 및 제5,602,713호를 참조하기 바란다. 사전 설정된, 즉 공칭 지연 기간이 없기 때문에 재고 수준(inventory level)이 줄어들게 되지만, 서로 다른 길이의 제조된 각선 및/또는 특수 커넥터가 필요하게 됨으로써, 신뢰성있는 전기적으로 우수한 연결(reliable electrically competent connection)을 제공하기 위해서는 정확한 부품의 비축 및 특수 커넥터를 정확하게 이용할 줄 아는 숙련된 직원의 확보와 관련된 새로운 문제점이 발생하게 된다.

다른 관련 특허로는 미국 특허 제5,460,093호, 제5,295,438호, 제5,214,236호, 제4,893,564호, 제4,860,653호, 제4,674,047호, 제4,601,243호, 제4,586,437호, 제4,311,096호 및 제4,145,970호가 있다.

요약하면, 제어성이 더 높은(more controllable) 암반 파쇄 및 제거, 그리고 바람직하지 않은 지반 진동의 감소를 달성하기 위해서는, 발파 신관, 즉 뇌관의 타이밍 정확성의 향상이 필요함과 함께 발파에서의 그의 위치에 적합한 각 뇌관의 공칭 지연 시간을 설정할 수 있는 것이 필요하다. 또한, 안전성과 신뢰성을 향상시키기 위해서는, 전기 발파 시스템의 외부 전기 자극에 대한 취약성을 최소화시키면서 장치들의 발파 회로에의 연결을 간소화하고 또 표준 규격의 즉시 이용가능한 케이블 및 커넥터를 사용할 수 있으면 유익할 것이다. 각각의 발파 신관이 발파 회로에 설치되기에 앞서 그의 기능을 테스트할 수 있게 함으로써 신뢰성이 더욱 향상될 수 있다. 이상적으로는, 발파 회로와의 간단하고 신뢰성있는 연결 수단을 갖는 하나의 프로그램가능한 뇌관, 즉 발파 신관은 가장 효율적인 발파 방법을 제공하기 위해 가장 적절하게 타이밍이 조절된 뇌관이 그 발파에서 정확한 위치에 배치되도록 보장해줄 것이다. 또한, 원하는 어느 위치에서든지 즉시 이용가능한 릴에 감겨 있는 표준 규격의 절연된 도체 전선에 의해 발파 회로에 연결될 수 있는 단지 하나의 기본적인 프로그램가능한 뇌관 장치로 뇌관 재고를 감축시키는 것이 아주 비용 효율적일 것이다.

따라서, 본 출원인은 뇌관(explosive detonator)에 연결되어 그 뇌관의 점화를 제어된 방식으로 실시할 수 있는 전자 지연 어셈블리(electronic delay assembly)를 개발하였다. 본 발명에 따른 전자 지연 어셈블리는 개구부를 갖는 자기 결합 소자(magnetic coupling device)를 포함하는데, 이 개구부는 그를 통해 지나가는 도체 전선을 수납하도록 구성되어 있다. 상기 자기 결합 소자는 상기 전선 에 흐르는 전류에 기초하여 출력 신호를 발생한다. 상기 어셈블리는 또한 상기 자기 결합 소자에 연결되어 있음과 동시에, 상기 개구부를 통해 지나가는 전선에 흐르는 상기 자기 결합 소자에 의해 발생된 전력 신호에 기초하여 전기 에너지를 저장하는 시스템 전력 저장소(system power reservoir)도 포함한다. 상기 어셈블리는 또한 공통인 비휘발성 내부 메모리를 가짐과 동시에, 상기 시스템 전력 저장소로부터 자신의 동작 전력을 공급받는 마이크로프로세서도 포함한다. 상기 어셈블리는 또한 상기 자기 결합 소자에 연결되어 있음과 동시에, 상기 개구부를 통해 지나가는 전선에 흐르는 상기 자기 결합 소자에 의해 발생된 통신 신호를 디코딩하여 그 디코딩된 통신 신호를 상기 마이크로프로세서에 공급하는 디코더도 포함한다. 게다가, 상기 어셈블리는 상기 시스템 전력 저장소와 상기 뇌관에 있는 신관 헤드(fuse head) 사이에 연결되어 있는 격발 회로로서, 상기 마이크로프로세서의 제어 하에서 상기 격발 회로에 연결되어 있는 뇌관을 점화시키기에 충분한 전기 에너지를 상기 시스템 전력 저장소로부터 공급해주는 격발 회로를 포함한다.

양호한 실시예에서, 상기 어셈블리는 상기 마이크로프로세서에 연결되어 그에 의해 제어되는 무선 통신 링크를 더 포함한다. 상기 통신 링크는 상기 마이크로프로세서의 현재의 동작 상태에 관한 정보나 상기 마이크로프로세서에 저장되어 있는 데이터를 제공한다. 예를 들어, 상기 무선 통신 링크는 적외선 발광 다이오드일 수 있다. 게다가, 상기 전선을 통과하는 상기 자기 결합 소자에 의해 발생된 상기 통신 신호는 외부 프로그래밍 기기로부터의 타이밍 신호를 포함할 수 있다. 이 타이밍 신호는 상기 마이크로프로세서의 비휘발성 메모리에 저장되어 상기 전자 어셈블리에 대한 폭발 시간 지연을 형성한다. 상기 무선 통신 링크에 있어서, 상기 마이크로프로세서에 저장되어 있는 상기 폭발 시간 지연은 상기 마이크로프로세서로 제공되는 상기 폭발 시간 지연의 정확성을 확인하기 위해 상기 통신 링크를 통해 상기 프로그래밍 기기로 다시 제공될 수 있다.

상기 자기 결합 소자에 의해 발생된 상기 전력 신호는 자신의 출력 전력을 상기 시스템 전력 저장소에 공급하는 전력 정류기(power rectifier)로 공급될 수 있다. 양호한 실시예에서, 상기 전력 정류기는 다이오드 브리지 전파 정류기(full wave diode bridge rectifier)이다. 게다가, 상기 시스템 전력 저장소는 커패시터일 수 있고, 상기 디코더는 펄스 변별기(pulse discriminator)일 수 있다. 본 발명에 양호한 자기 결합 소자는 토로이달 트랜스포머(toroidal transformer)이다.

상기 어셈블리는 또한 상기 마이크로프로세서에 타이밍 신호를 공급하는 클록과, 상기 시스템 전력 저장소로부터 전력을 공급받아 상기 마이크로프로세서에 조절된 전압을 공급해주는 전력 조절기(power regulator)를 더 포함할 수 있다. 상기 시스템 전력 저장소의 전압을 모니터링하여 이 전압을 상기 마이크로프로세서에 공급해주는 저전압 문턱값 회로를 제공함으로써, 상기 시스템 전력 저장소의 전압이 미리 정해진 값 미만으로 떨어지는 경우에는, 유효한 점화 명령이 수신된 후에만, 상기 마이크로프로세서가 상기 격발 회로를 작동시켜 상기 신관 헤드에 전력을 제공하도록 할 수 있다.

상기 격발 회로는 서로 연결되어 있는 한쌍의 스위치를 포함하며, 양 스위치 모두가 상기 마이크로프로세서에 의해 작동되고 나서야만 상기 시스템 전력 저장소 로부터 상기 신관 헤드로 전력이 공급되도록 되어 있다. 일 실시예에서, 상기 격발 회로는 하이측 하드 구동(high side hard drive), 로우측 하드 구동(low side hard drive), 하이측 소프트 구동(high side soft drive), 그리고 로우측 소프트 구동(low side soft drive)을 비롯한, 한쌍의 스위치를 형성하는 4개의 회로를 포함할 수 있다. 상기 어셈블리의 일 실시예에서, 상기 전선을 통과하는 상기 자기 결합 소자에 의해 발생된 통신 신호는 상기 격발 회로에 있는 4개의 구동 회로의 기능을 테스트하기 위한 테스트 신호를 포함한다. 이와 같이, 어떤 구동 회로라도 장애가 있는 경우에는, 상기 어셈블리가 잘못하여 상기 신관 헤드로 전력을 전달해 뜻하지 않은 폭발이 일어나는 일이 없게 된다.

양호한 실시예에서, 상기 전선을 통과하는 상기 자기 결합 소자에 의해 발생된 통신 신호는 상기 마이크로프로세서의 상기 비휘발성 메모리에 특정의 폭발 시간 지연을 저장하는 타이밍 신호를 포함하고, 그 뒤에 상기 전자 어셈블리에 연결된 뇌관을 사전 프로그램된 시간 지연에서 점화시키도록 상기 전자 어셈블리를 작동시키기 위한 제어 신호를 포함한다.

본 출원인은 또한 전술한 전자 지연 어셈블리에 폭발 시간 지연을 프로그래밍하는 방법은 물론 전술한 전자 지연 어셈블리 및 그에 연결된 뇌관을 사용하여 발파 작업을 수행하는 방법도 발명하였다.

도 1은 본 발명에 따른 프로그램가능한 전기 지발 뇌관의 투시도이고,

도 2는 도 1에 도시한 프로그램가능한 전기 지발 뇌관의 전기 회로부의 블록 도이며,

도 3은 도 1에 도시한 프로그램가능한 전기 지발 뇌관의 전기 회로부의 회로도이고,

도 4는 전기 지발 뇌관에서의 소프트웨어의 플로우챠트이며,

도 5는 전기 지발 뇌관 소프트웨어 프로그램에서의 그 소프트웨어의 부가의 플로우챠트이고,

도 6a는 본 발명에 따른 휴대형 프로그램 기기(handheld programmer)의 투시도이며,

도 6b는 도 6a에 도시된 휴대형 프로그램 기기에 있는 보호실(protective chamber)의 개략도이고,

도 7은 도 6a에 도시된 휴대형 프로그램 기기의 전기 회로부의 블록도이며,

도 8은 본 발명에 따른 전기 발파 장치의 투시도이고,

도 9는 도 8에 도시된 전기 발파 장치의 전기 회로부의 블록도이며,

도 10은 도 8에 도시된 전기 발파 장치의 전기 회로부의 개략도이고,

도 11은 전기 발파 장치에서의 소프트웨어의 플로우차트이며,

도 12는 본 발명에 따른 발파 장치 및 다수의 프로그램가능한 전기 지발 뇌관을 이용하여 현장에서 결선된 시스템을 나타낸 도면이고,

도 13은 발파 루프에서의 전류 파형을 나타낸 도면이며,

도 14는 발파 루프 상에서의 이진값 0 및 이진값 1(캐리어 타이밍)을 나타내는 2개의 파형을 나타낸 도면이고,

도 15는 비동기 바이트의 구조를 나타낸 도면이며,

도 16은 전형적인 메시지의 시간 순서(time sequence)에 대한 파형 플롯도이다.

본 발명의 시스템의 양호한 실시예의 여러가지 구성요소 및 그의 동작에 대해 상세히 나타내고 있는 도면들을 참조하기에 앞서, 그 전체 시스템에 대한 개요를 기술하기로 한다. 본 시스템의 핵심은 뇌관이라고도 하는 프로그램가능한 전기 지발 뇌관이라는 구성 요소이다. 이 뇌관을 수납하여 원하는 폭발 시간 지연으로 그 뇌관을 프로그램하는 휴대형 프로그램 기기에 의해 그 뇌관은 프로그램된다. 양호하게는 적외선 송출기인 그 뇌관 상의 한 구성요소는 프로그램된 지연을 프로그램 기기에게 전달하여 특정의 뇌관이 원하는 지연으로 실제로 프로그램되어 있는지를 확인한다. 뇌관에 전원이 투입된 후 그 뇌관에 시간 지연이 프로그램되기 이전에, 장치의 무결성 및 조작성에 있어서 어떤 테스트가 수행된다.

그런 다음에, 그 프로그램된 뇌관이 특정 폭약용의 발파공에 설치된다. 복수의 유사한 뇌관이 각각의 특정 발파공마다 특유한 원하는 지연으로 프로그램되고 제 위치에 설치된다. 모든 뇌관은 다양한 뇌관의 최종 폭발을 제어 및 수행하는, 따라서 발파공 내의 폭약의 최종 폭발을 제어 및 수행하는 발파기라고도 하는 발파장치에 전부 결선되어 있다. 뇌관의 수 및 전선의 길이는 각각의 상황마다 다르기 때문에, 발파 장치는 먼저 뇌관 및 이 뇌관에 연결된 전선의 전기적 특성을 결정하고 그에 따라 적절한 시스템 조정을 행한다. 그런 다음에, 발파 장치는 모든 뇌관 에 전원을 투입하도록 신호를 송출한다. 여러가지 뇌관의 무결성 및 조작성에 대한 어떤 테스트가 수행된다. 그런 다음에, 원하는 순서로 발파 작업을 개시하도록 발파 장치에 의해 제어 신호가 송출된다.

뇌관의 중요한 특징은 그 뇌관이 토로이달 트랜스포머 등의 자기 결합 소자를 통해 프로그램 기기에도 연결되고 발파기에도 연결된다는 것이다. 이것은 뇌관에 대해 전압 결합(voltage coupling)이 아닌 전류 결합(current coupling)을 형성한다. 이와 같이, 어떤 각선도 뇌관에 사전 설치되어서는 안된다. 그 대신에, 전선이 자기 결합 소자(트랜스포머) 내의 구멍을 통과하게 하고, 프로그램된 뇌관을 발파공 속으로 내려보낸다. 이와 같이, 뇌관을 설치하는 데 필요한 전선의 길이는 발파공의 특정 깊이/길이에 맞게 현장에서 절단된다. 게다가, 뇌관은 프로그램 기기에 의해 그 현장에서 원하는 지연으로 프로그램된다. 따라서, 단지 프로그램 기기, 복수의 동일한 프로그램되지 않은 뇌관, 그리고 하나의 전선 릴을 들고 다니기만 함으로써, 각각의 발파공에 원하는 시간 지연으로 뇌관이 설치될 수 있다. 복수의 프로그램되어 설치된 뇌관은 각각의 뇌관에 부착된 각선을 루프에 연결하여 지표면에 전선 루프를 형성함으로써 발파 장치에 연결된다.

본 발명에 따른 프로그램가능한 전기 지발 뇌관(2)의 일 실시예가 도 1에 도시되어 있다. 도 1의 장치는 독립형의 타이밍 및 폭발 장치로서 제안된 것이다. 전기 지발 뇌관(2)은 전기 회로 보드(도시생략), 적외선 발광 다이오드(LED, 6), 한쌍의 연결 전선(8), 및 전선을 통과시키도록 되어 있는 원형 구멍(10)을 갖는 전자 어셈블리(4)를 포함한다. 이러한 부품군은 둥그런 원통형 퍽(puck) 형상의 어 셈블리(4)를 형성하기 위해 경화된 화합물로 포팅(potting)된다. 한쌍의 전선(8)이 양호하게는 그 내부에서의 지연이 없는 전기 뇌관, 즉 발파 신관(12)(순발 전기 뇌관)에 부착되어 있다. 전자 어셈블리(4)는 전기 지발 및 점화 장치를 구성하고, 순발 전기 뇌관, 즉 발파 신관(12)은 폭약 기폭 장치(charge initiation device)를 구성한다. 전체 폭발 장치(2)는 지연을 받아서 폭약의 점화를 개시하는 데 사용된다.

전기 지발 뇌관(2)이 최종 구성에 구현되는 경우, 그 뇌관은 전자 어셈블리(4)에 있는 중앙 구멍(10)을 통과하는 하나의 도체 전선을 갖게 된다. 이 하나의 전선이 전력 신호와 통신 신호 모두를 그 장치에 제공하는 사인파 전류를 전달하게 된다. 어떤 경우에, 뇌관(2)은 지연 시간값을 설정 및 판독하는 프로그램 기기에 연결될 수도 있다. 이 프로그램 기기에 대해서는 나중에 기술한다. 다른 용도에서, 상기 전선은 점화 절차를 개시하게 되는 발파 장치로부터 전원을 공급받을 수 있다. 이 발파 장치에 대해서는 이후에 기술할 것이다.

어떤 뇌관 동작 중에, 전기 지발 뇌관(2)으로부터 응답을 수신할 필요가 있다. 이 경우에, 메시지, 즉 신호는 전자 어셈블리(4)의 내부로부터 그 뇌관 장치의 일부인 적외선 LED(6)를 거쳐 전송된다. 이 신호는 외부 기기에 의해 수신되며, 그러면 이 외부 기기는 뇌관(2)의 내부로부터 송출된 주요 파라미터를 표시하게 된다.

전기 지발 뇌관(2)은 한 구성 요소로서 순발 전기 뇌관, 즉 발파 신관(12)을 갖는다. 소량의 폭약인 이 발파 신관(12)은 연시약(chemical delay)을 내장하고 있지 않다. 소정의 시간 지연의 끝을 알아내는(meter out) 일은 전자 어셈블리(4)가 해야하는 것이며, 그 지연의 끝에서 전자 어셈블리(4)는 순발 전기 뇌관(12)의 점화를 개시하게 된다. 예상되는 바와 같이 전기 지발 뇌관(2)은 아주 짧은 시간 내에 폭발하게 된다.

도 2를 참조하면, 도 1에 도시된 전기 지발 뇌관(2)의 전기적 측면을 나타낸 블록도이다. 이 뇌관 장치는 전원부(14), 신관 헤드(전기 뇌관) 회로(16), 전력 조절 회로(18), 적외선 LED 회로(6) 및 마이크로프로세서(20)로 구성되어 있다. 전술한 바와 같은 외부 기기로부터의 한 가닥 전선(22)이 많은 권선이 감겨져 있는 토로이드(toroid)와 같은 자기 결합기(magnetic coupler)의 중앙을 통과하며, 이 전체가 모여 토로이드 트랜스포머(24)를 형성한다. 1차측(1차측을 통과하는 한 가닥 전선)을 통과하는 전류로 인해 다수의 권선으로 형성된 2차측에 전류가 유발된다. 그 다음에, 전력 정류기(26)는 이 신호를 정류된 DC 파형으로 정류한다. 이 정류된 파형은 펄스 변별기(28)의 토대를 이룬다. 그 다음에, 그 전류는 마이크로프로세서(20)에 전원을 공급하고 또 신관 헤드(32)를 점화시키는 데 충분한 전압 충전을 보유하고 있는 커패시터 등의 시스템 전력 저장소(system power reservoir, 30)로 전달된다. 시스템 전력 저장소(30)의 전압은 30 VDC 정도로까지 높아질 수 있다. 시스템 전력 저장소로부터의 이 전압은 정지 전류가 적은 전압 조절기(low quiescent current voltage regulator, 34)로 전달되고, 이 전압 조절기(34)는 마이크로프로세서(20) 및 다른 회로들에 저전압을 제공한다. 전압 조절기(34)는 달성될 수 있는 지연 시간을 연장하기 위해 시스템 전력 저장소(30)로부터 비교적 적 은 전류를 끌어내도록 설계되어 있다. 저장소 전압은 또한 저전압 문턱값 회로(low voltage threshold circuit, 36)에도 전달되며, 이 회로(36)에 의해 상기 뇌관 장치는 저장소 전압이 고정된 검출 문턱값을 초과하는지 아니면 그 미만인지를 검출할 수 있게 된다. 저장소 전압은 또한 신관 헤드 회로(38)에도 전달되며, 이 신관 헤드 회로(38)는 자기 자신 및 신관 헤드(32)를 테스트하는 일과 신관 헤드(32)를 점화하는 일인 2가지 작업을 수행하도록 특별히 설계되어 있다. 마이크로프로세서(20)의 제어 하에서, 신관 헤드 회로(38)는 그 회로(38)에 어떤 결함이라도 존재하는지 검출한다. 이와 같이 하여, 상기 뇌관 장치는 재료나 작업자 기량의 결함으로 인한 위험 상황이 존재하는지를 신속하게 판정할 수 있다. 이러한 일련의 테스트를 통과하고 또 다른 적절한 격발 이벤트가 발생하면, 신관 헤드 회로(38)는 점화를 개시하기 위해 시스템 전력 저장소(30)를 외부 신관 헤드(32)에 직접 연결할 수 있다. 입력 회로는 또한 주 캐리어 주파수(main carrier frequency)의 존재 여부를 검출하고 또 이러한 조건에 맞는 펄스 데이터(conditioned pulse data)를 통신 비트 스트림(40)을 통해 마이크로프로세서(20)로 보내는 펄스 변별기(28)도 포함하고 있다. 메시지가 외부 세계로부터 상기 뇌관 장치 내의 마이크로프로세서(20)로 전달될 수 있는 것은 채널에 의해서이다. 또한 적외선 발광 다이오드(LED, 6)도 있다. 이 LED 장치는 마이크로프로세서(20)에 의해 적절한 펄스 스트림을 제공받으면 그 내부로부터 적외선 신호를 발생하게 된다. 이 적외선 신호는 그 LED 장치의 외부에서 검출될 수 있으며, 따라서 뇌관(2)은 상태 메시지를 뇌관 장치 내부로부터 외부 세계로 전달 할 수 있다. 이 적외선 LED(6)는 또한 유사한 RF 또는 다른 무선 수단을 통해서도 수행될 수 있다. 뇌관 장치의 중앙에는 프로그램 메모리, 데이터 메모리, 플래쉬 메모리 및 입출력 핀 뿐만 아니라 중앙 처리 장치를 포함하는 마이크로프로세서(20)가 있다. 마이크로프로세서(20)는 소프트웨어 프로그램으로 프로그램되어 있으며, 이 프로그램은 중앙 처리 장치에 의해 해석될 때 그 뇌관 장치로 하여금 메시지를 처리하고 타이밍 및 폭발 기능을 수행하도록 한다. 플래쉬 메모리부는 사실상 비휘발성이며, 이는 (통상적인 사용 과정에서 예상되는) 전원의 차단에 의해 저장된 데이터가 소거되지 않는다는 것을 의미한다. 이 영역은 현재의 시간 지연 및 아마도 일련 번호 등의 데이터를 저장하는 데 사용된다. 32KHz 시간축 수정 발진기(time base crystal oscillator, 42)는 마이크로프로세서(20)에 연결되어 있다. 이 발진기(42)에 의해 뇌관(2)은 지연 시간 계산을 위한 정확한 시간축을 가질 수 있게 되며, 이에 따라 다수의 이러한 뇌관 장치가 일제히 사용될 때 비교적 정확한 시간 지연을 발생하게 된다.

뇌관(2)은 도 3에 도시된 회로를 포함한다. 이 뇌관 장치는 토로이드 트랜스포머(24)를 통해 전력을 끌어내고 통신 메시지를 도출한다. 이 토로이드 트랜스포머(24)는 많은 수의 권선이 페라이트 코어에 감겨져 있다. 한 가닥의 전선(22)이 전력 및 통신 신호를 전달한다. 그 다음에, 5KHz AC 파형이 4개의 다이오드(D1 - D4)를 포함하는 전력 정류기(26)에서 정류되어 그 파형의 전파 정류된 파형을 생성한다. 펄스 변별기(28)는 마이크로프로세서에 공급되는 디지털 데이터를 도출하기 위해 5KHz 캐리어가 존재하는지를 검출한다. 제5 다이오드(D5)는 그 회로의 나 머지 부분으로 가는 전류를 추가로 정류한다. 이와 같이, 그 시스템의 나머지 부분은 깨끗한 DC를 이용할 수 있으며, 게다가 5KHz 캐리어가 펄스 변별기(28)에 공급된다. 그 다음에, 다이오드(D5)를 통해 흐르는 전류는 커패시터(C1)를 포함한 시스템 전력 저장소(30)에 축적된다. 이 커패시터(C1)는 30V 정도의 많은 전하를 보유한다. 시스템 전력 저장소 회로(30)에 포함되어 있는 TVS 다이오드(D7)는 그 전압을 대략 30 VDC로 클램프하게 되며, 따라서 커패시터(C1)는 회로를 손상시키기에 충분한 전압을 나타내지 않게 된다.

커패시터(C1)와 접지 사이에 연결된 저항 회로망(R13, R14)으로 형성된 저전압 문턱값 회로(36)는 커패시터(C1)의 전압을 검출하며, 그 정보를 마이크로프로세서(20)에 공급한다. 커패시터(C1)의 전압이 신관 헤드(32)를 점화시키기에 충분한 어떤 레벨, 예컨대 10 VDC 미만으로 떨어지는 경우, 점화 메시지가 이미 수신되었다면 즉시 점화가 일어나게 된다. 커패시터(C1)에 연결되어 있는 전압 조절기(34)는 마이크로프로세서(20)를 구동하기 위한 더 낮은 3.3 VDC 신호를 발생한다. 이 전압 조절기(34)는 아주 낮은 정지 전류로 동작하면서도 30 VDC 정도로 높은 전압에 동작하도록 선택된다. 마이크로프로세서(20)에 연결되어 있는 32.768 KHz 수정발진기(42)에 의해 정확한 타이밍 신호가 마이크로프로세서 내에서 발생될 수 있다. 적외선 LED(6)는 직렬 전류 제한 저항(serial current limit resistor, R1)을 통해 마이크로프로세서(20)에 연결되어 있다.

마이크로프로세서(20)에 의해 통신 메시지의 해석 및 생성, 신관 헤드 구동회로(38)의 테스트, 및 뇌관 점화에 대한 정확한 지연 시간이 가능하게 된다. 이 마이크로프로세서(20)는 저전류 및 높은 정확성으로 동작하도록 특별히 선택된 것이며, 또한 그 안에 비휘발성 저장을 위한 기억 용량(capacity)을 가지고 있다.

신관 헤드 회로(38)는 커패시터(C1)인 시스템 전력 저장소(30)와 신관 헤드(32) 사이에 연결되어 있으며, 안전한 동작을 보장하고 또 회로에서의 결함으로 인한 우발적 점화를 최소화하거나 없도록 하기 위해 마이크로프로세서(20)의 제어 하에서 신관 헤드(32)를 점화시키는 데 필요한 전력을 공급하기 위한 스위치로서 기능한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 신관 헤드 회로(38)는 (a) 달링톤쌍(Darlington pair)으로서 기능하는 트랜지스터(Q5, Q4)와 레벨 시프트 회로로서 기능하는 저항(R4, R6)과 트랜지스터(Q3)를 포함하는 하이측 하드 구동 회로(high side hard drive circuit), (b) 트랜지스터(Q2)와 저항(R5), 그리고 레벨 시프트 회로로서 기능하는 저항(R2, R3)과 트랜지스터(Q1)를 포함하는 하이측 소프트 구동 회로(high side soft drive circuit), (c) 달링톤쌍으로서 기능하는 트랜지스터(Q7, Q8)와 논리 인터페이스로서 기능하는 저항(R10)을 포함하는 로우측 하드 구동 회로(low side hard drive circuit), 및 (d) 트랜지스터(Q6)와 저항(R9), 그리고 논리 인터페이스로서 기능하는 저항(R8)을 포함하는 로우측 소프트 구동 회로(low side soft drive circuit)를 포함한다. 저항(R7)은 테스트부에 있는 바이어스 저항이다. 저항(R11, R12)으로 형성된 저항 분할기가 신관 헤드(32)의 한쪽 각선(leg)에 부착되어 있다.

전기 지발 뇌관(2) 내에서의 소프트웨어 실행의 주요 흐름이 도 4에 도시되어 있다. 루프 전류가 커패시터(C1)에 전압을 발생시키고 따라서 조절기(34)에 적 당한 전압을 제공하자마자 뇌관에는 전원이 투입된다. 카운터는 마이크로프로세서(20)의 데이터 핀에 도착하는 프리앰블인 '0' 펄스의 수를 카운트한다. 주어진 개수가 통과한 후에만, 프로그램이 속행된다. 이것은 신관 헤드(32)의 테스트가 시작되기 전에 커패시터(C1)에 전압이 축적되어 안정될 수 있도록 하기 위한 것이다.

신관 헤드 회로(38)는 기동 시에 한번 소프트웨어를 통해 테스트된다. 이 소프트웨어는 도 5에 블록도로서 별도로 도시되어 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 뇌관 회로에는 4 세트의 트랜지스터가 있다. 하나는 하이측 하드 구동이고, 하나는 로우측 하드 구동이며, 하나는 하이측 소프트 구동이고, 하나는 로우측 소프트 구동이다. 신관 헤드(32)로 가는 각선들 중 하나는 저항 분할기(R11, R12)가 그에 연결되어 있다. 커패시터(C1)의 전압은 유사한 저항 분할기(R13, R14)를 통해 가해진다. 그 다음에, 이들 2개의 저항 분할기 전압은 아날로그 비교기가 들어 있는 마이크로프로세서(20)에 가해진다. 신관 헤드(32)가 커패시터(C1) 주전압(main voltage)의 1/2까지 구동되면, 비교기에 같은 전압이 나타날 수 있도록 저항들이 선택된다. 테스트가 가능하도록 하기 위해, 마이크로프로세서(20)가 0 V와 3.3 V바이어스 전압을 인가할 수 있게 해주는 부가의 저항이 비교기 입력(신관 헤드 분할기로부터의 핀)에 부착되어 있다. 따라서, 테스트 전압은 이 중앙점으로부터 위쪽 및 아래쪽으로 바이어스될 수 있으며, 이에 따라 마이크로프로세서(20)는 신관 헤드 전압이 실제로 전압 범위(voltage span)의 중앙 근방에 있는지를 판정할 수 있게 된다. 그 다음에 완료된 알고리즘이 다음과 같이 동작한다. 하이측 소프트 구동과 로우측 소프트 구동이 턴온된다. 바이어스 저항은 로우로 구동된다. 비교기가 로우인지 테스트된다. 비교기가 로우인 경우, 하이 트랜지스터 단락 또는 신관 헤드 개방에 대한 에러가 설정된다. 그 다음에, 바이어스가 하이로 설정된다. 비교기가 하이인지 테스트된다. 비교기가 하이인 경우, 로우 트랜지스터가 단락된다. 그 다음에, 트랜지스터들은 클리어된다. 하이측 하드 구동이 턴온된다. 로우측 소프트 구동이 턴온된다. 바이어스 저항이 로우로 설정된다. 비교기가 로우인지 테스트된다. 비교기가 로우인 경우, 에러가 하이 트랜지스터 개방으로 설정된다. 그런 다음에, 트랜지스터들이 클리어된다. 하이측 소프트 구동이 턴온된다. 로우측 하드 구동이 턴온된다. 바이어스 저항이 하이로 설정된다. 비교기가 하이인지 테스트된다. 비교기가 하이인 경우, 에러가 로우 트랜지스터 개방으로 설정된다. 이러한 일단의 테스트가 완료되면, 신관 헤드 구동 회로(38)는 임의의 단일 고장점(single point of failure)에 대해서는 완전히 테스트되었다. 하이측과 로우측의 하드 트랜지스터가 설정되면, 뇌관은 폭발하게 된다.

전기 뇌관 어셈블리(4)에 대한 소프트웨어가 도 4에 블록도로서 도시되어 있다. 이 뇌관 어셈블리는 조절기에 전압을 공급하기에 충분한 전력이 전달되었을 때 동작하기 시작한다. 이 소프트웨어는 내부 레지스터를 초기화하는 것으로 시작한다. 그 다음에, 상기 어셈블리는 루프를 통해 도달하는 '0' 펄스의 수를 카운트함으로써 도출되는 것인 대략 500 msec 동안 기다린다. 이렇게 함으로써 외부 전압이 신관 헤드 회로(38)의 테스트를 수행하기에 적합한 레벨로 축적될 수 있게 된다. 상기 어셈블리는 전술한 바와 같이 신관 헤드 회로 테스트를 수행한다. 그 다음에, 주 실행 루프는 비트들이 수신되어 후속 메시지를 형성 및 처리하기를 기다린다. 비트가 수신될 때, 그 비트는 바이트를 형성한다. 바이트의 시작을 나타내기 위해 '1' 비트가 수신되어야만 한다. 바이트가 형성되면, 메시지 시스템은 전체 메시지를 형성한다. 전체 메시지가 형성되면, 그 메시지의 유효성이 테스트되고, 동작이 수행된다. 메시지가 '새로운 지연의 설정' 명령인 경우, 표시된 지연 시간은 마이크로프로세서 내의 비휘발성 플래쉬 메모리에 넣어지고, 확인을 위해 다시 판독되어 적외선(IR) 링크를 통해 휴대형 장치로 다시 넘겨준다. 그 메시지는 지금까지 식별된 에러 데이터 및 확인을 위한 체크섬을 포함한다. 전체 메시지가 '현재의 지연 설정의 판독' 메시지를 구성하는 경우, 비휘발성 메모리에 현재 저장되어 있는 값이 판독되고, 이전의 메시지에 대해 전술한 수단을 사용하여 메시지가 휴대형 장치로 보내진다. 점화 메시지가 수신되면, 그 메시지는 점화 태그(fire tag) 1, 2 또는 3일 수 있다. 어느 경우이든지간에, 시스템 상의 모든 뇌관은 동일한 시간 기준점에서 다같이 동기화되도록 타임-업 단계(time-up phase)가 시작된다. 그 다음에, 상기 어셈블리는 비휘발성 메모리에 이미 저장되어 있는 시간을 기초로 하여 타이머를 시작한다. 이 기간이 만료되면, 뇌관 회로는 2개의 별개의 트랜지스터를 턴온시킴으로써 작동된다. 상기 어셈블리를 점화시키기 위해서는 이들 트랜지스터 모두가 작동되어야만 한다. 그 다음에, 신관 헤드(32)가 점화된다.

휴대형 프로그램 기기는 사용자가 지연을 설정하고 지연을 판독하며 일련 번호 기능을 수행할 목적으로 앞서 기술한 바와 같은 프로그램가능한 전기 지발 뇌관(2)과 상호 작용할 수 있도록 설계되어 있다. 휴대형 프로그램 기기(50)의 일 실시예가 도 6a에 도시되어 있다. 휴대형 장치(50)는 사용자와의 상호 작용 및 정보의 표시가 가능하도록 그 위에 LCD 디스플레이(52) 및 키패드(54)를 가지고 있다. 사용자가 하나의 전기 지발 뇌관(2)을 넣어 둘 수 있는 보호실(protection chamber, 56)이 설치되어 있다. 보호실(56) 및 그 안에 뇌관(2)을 넣어두는 것에 대해서는 도 6b에 상세히 도시되어 있다. 보호실(56)은 뇌관(2)이 부주의로 점화되는 경우 사용자를 보호한다. 보호 덮개(protective cover, 58)는 휴대형 장치(50) 상에 설치되어 있으며, 그에 의해 보호실(56) 내의 뇌관을 완전히 덮을 수 있다. 덮개 스위치(cover switch, 60)는 어떤 전력 신호 또는 통신 신호라도 뇌관(2)에 인가되기 전에 사용자가 보호 덮개(58)를 닫았는지를 확인시켜 준다. 뇌관(2)의 전자 어셈블리부(4)에 있는 구멍(10)은 도체 핀(64) 상부에 배치되어 있으며, 루프 회로는 그 도체 핀에 전선(66)을 연결함으로써 완성된다. 추가의 보호를 위해, 폼 패딩(foam padding, 62) 등이 보호실(56)에, 적어도 뇌관의 폭약부(12) 근방에 설치될 수 있다. 뇌관(2)이 보호실(56) 내에 적절히 삽입되었으면, 사용자는 뇌관 프로그래밍 명령어를 기동시킬 수 있다. 핀(64)과 전선(66)으로 형성된 전류 루프를 통해 전원이 인가되고, 그 루프를 거쳐 통신 메시지가 전달된다. 뇌관(2)은 새로운 지연의 설정, 현재 지연의 판독 또는 일련 번호의 판독을 비롯한 여러가지 원하는 작업을 수행하게 된다. 이들 중 어느 경우든지, 목표는 뇌관(2)으로부터 응답을 수신하는 것이다. 뇌관(2)은 그 안에 적외선 LED(6)를 포함하고 있으며, 이 적외선 LED(6)는 휴대형 프로그램 기기(50)에 설치되어 있는 적외선 검출기(68) 쪽으로 발광하도록 배치되어 있다. 이 적외선 검출기(68)는 메시지를 수신하고 그 메시지를 휴대형 프로그램 기기(50) 내의 마이크로프로세서로 전달하게 된다. 그 메시지는 특정의 의미 또는 필요한 데이터를 알아내기 위해 해석되고, 그 다음에 이 정보는 디스플레이(52) 상에 표시된다. 표시된 메시지는, 이 휴대형 프로그램 기기에 구현되어 있는 바와 같이, 결함있는 신관 헤드 회로의 표시, 성공적으로 프로그램된 지연 시간, 현재 메모리에 있는 지연 시간 또는 일련번호를 표시하는 것으로 이루어질 수 있다. 휴대형 프로그램 기기 내의 배터리는 그 휴대형 프로그램 기기의 현장 휴대가 가능하도록 해준다.

도 7에 보다 상세히 도시되어 있는 바와 같이, 사용자가 전기 지발 뇌관(2)을 휴대형 프로그램 기기(50)에 설치할 때, 그 뇌관(2)은 도 6의 핀(64)과 전선(66)으로 형성된 단일 전선 루프(70)를 통해 휴대형 프로그램 기기(50)에 연결된다. 뇌관(2)으로부터 돌아오는 데이터는 적외선 LED(6)를 거쳐 전송되고 적외선 센서(68)를 거쳐 수신된다. 사용자는 키패드(54) 및 LCD 디스플레이(52) 상에서 다수의 관련 명령 또는 메시지 중에서 선택할 수 있다. 그 다음에 휴대형 프로그램 기기는 뇌관(2)의 전자 어셈블리(4)에 있는 중앙 구멍(10)을 통과하는 전선 루프(70)에 4A RMS 전류를 발생한다. 이 전류는 통상 5 KHz 내지 10 KHz인 음성 대역 주파수로 이루어져 있다. 그 전류는 1과 0의 전송을 가능하게 하는 패턴으로 추가로 온/오프 변조(온 오프 키잉 : On Off Keying, 즉 OOK)된다. 이들 1과 0은 인증 검사를 할 때 뇌관(2)에 대해 어떤 작업을 수행하도록 명령하는 이진 메시지를 형성한다. 휴대형 프로그램 기기(50)가 요구하는 대표적인 명령은 지연 시간을 특정값으로 설정하는 것이다. 또한 현재 설정된 지연값을 변경시키지 않고 그 지연값을 요청하는 메시지도 있다. 뇌관(2)이 그 메시지를 수신하여 요청된 작업을 수행할 때, 뇌관(2)은 응답을 생성하여 이를 적외선 링크를 통해 송출한다. 휴대형 프로그램 기기(50)는 이 메시지를 포착하게 되고, 그 메시지가 유효성의 요건들 모두를 만족시키면, 디스플레이(52) 상에 동작이 성공적이었음을 표시하게 된다.

휴대형 프로그램 기기(50)는 사용자가 뇌관(2)을 삽입하고 뇌관(2)에 지연 시간을 설정하거나 뇌관(2)으로부터 지연 시간을 판독하며, 그 다음에 뇌관(2)을 폭약과 함께 발파공 내에 설치할 수 있도록 설계되어 있다. 휴대형 프로그램 기기(50)는 몇 인치의 전선을 거쳐 동작하도록 설계되어 있을 뿐인 발파 장치에 있는 것과 유사한 전류 루프 구동 회로(72)를 갖는다. 마이크로프로세서(74) 내의 소프트웨어 프로그램에 의해 사용자는 키패드(54)를 통해 지연을 입력하고 뇌관(2)이 이 값으로 프로그램되도록 요구할 수 있거나, 그렇지 않으면 사용자가 뇌관(2)에 이미 프로그램되어 있는 시간을 판정하기 위해 그 뇌관(2)에 신호를 보내 알아보도록 요청할 수 있을 뿐이다. 어느 경우든지, 그 프로그램은 뇌관(2)에 전원을 공급하기 위해 전류 루프 구동기(72)를 1초 동안 기동시킨다. 전원 투입 이후에, 메시지는 루프(70)를 거쳐 뇌관(2)으로 보내진다. 뇌관(2)은 그 메시지를 처리하고, 그 다음에 응답이 휴대형 프로그램 기기(50)의 적외선 수신기(68)로 되보내진다. 이 메시지는 휴대형 프로그램 기기(50)에 의해 처리되고, 그 결과가 LCD 디스플레이(52) 상에 표시된다. 휴대형 프로그램 기기(50)는 양호하게는 배터리(76)에 의해 전원을 공급받는다.

도 8에 도시되어 있는 바와 같은 발파기, 즉 발파 장치(100)는 조작자가 전선 루프에 전기 전력 및 전기 통신 신호를 제공할 수 있게 해주는 휴대형 장치이다. 도 12에 도시되어 있는 바와 같이, 발파기(100)는 앞서 기술한 것처럼 다수의 전기 지발 뇌관(2)이 설치되어 있는 전선 루프(102)에 연결되어 있다. 발파기(100)는 다수의 주요 작업을 수행하도록 설계되어 있다. 발파기(100)는 전선 루프(102)의 임피던스를 측정하고, 특정의 원하는 전류값을 달성하도록 그의 출력 전압을 조절한다. 그런 다음에, 발파기(100)는 시스템에 설치된 모든 뇌관(2) 이 각 소자에 전원을 공급하기에 충분한 전압 충전을 축적할 수 있도록 아마도 1초의 기간 동안 사인파 파형을 인가한다. 그 다음에 발파기(100)는 사용자의 명령이 있을 시 컴퓨터에서 발생되는 통신 메시지를 내보내고, 이 메시지는 궁극적으로 각 뇌관(2)의 폭발을 일으키게 하는 시간 시퀀스를 개시하게 된다. 이러한 일련의 작업들은 발파기(100)에 의해 수행되는데, 이 발파기(100)는 이후에 보다 상세히 기술하는 바와 같이 가방 크기의 케이스 안에 하우징되어 있고 내부 배터리에 의해 전원을 공급받는다. 발파기(100)는 키패드(104), LCD 디스플레이(106), "아암"(arm) 버튼(108), "점화"(fire) 버튼(110), 및 전선 루프(102)를 발파기(100)에 연결시키는 포스트(post, 112)를 구비하고 있다.

시스템에서의 가변 길이의 전선(102) 및 가변 개수의 뇌관(2) 모두에 의해 나타내어지는 광범위한 임피던스를 수용하기 위해, 발파기(100)는 루프[전선(102)과 뇌관(2)]의 임피던스를 알아내고 그 임피던스와 정합하게 조절을 행하도록 설계되어 있다. 이것은 다중 탭을 갖는 트랜스포머를 사용하여 행해진다. 이 트랜스 포머는 도 9의 선로 임피던스 정합 트랜스포머(line impedance matching transformer, 114)라고 한다. 궁극적인 목표는 보통 3 내지 4 암페어(피크-피크)인 일정한 목표 전류 레벨로 루프에 연결하는 것이다. 이와 같이, 전선 루프의 길이가 길수록, 이 전류 레벨을 전달하는 데는 더 많은 전력이 필요하게 된다. 트랜스포머(114)는 다수의 탭을 갖는다. 발파기(100)는 가동되면 그 선로 상으로 테스트 신호를 구동하여 내보내고 전류 감지 트랜스포머(116)를 사용하여 전류 레벨을 측정하게 된다. 그 전류 레벨이 목표 전류를 충족시키기에 부적당한 경우, 트랜스포머(114)의 탭이 변경된다. 전기 전류의 목표에 일치하거나 그를 초과할 때까지 계속하여 이와 같이 한다. 이 방법을 사용하여 광범위한 선로 길이 및 임피던스가 수용된다.

발파기(100)는 내부의 12V 납축 겔셀 전지(lead acid gel cell battery, 118)로부터 전원을 공급받는다. 이 전원은 자동차 케이블, 즉 자동차나 트럭 배터리에 의해 백업 전원이 용이하게 공급될 수 있도록 선택되었다. 그 다음에 이 발파기는 이 12 VDC 전원을 컨버터(120)를 통해 마이크로프로세서(122)의 제어 하에서 50에서 200 VDC까지 조절가능한 고전압 전원으로 변환한다.

발파기의 마지막 주요 부분은 선로 구동기 회로(124)이다. 이 회로는 고전압을 받아, H 브리지 회로를 사용해 스위칭 동작을 수행하여 5 KHz의 구형파를 생성한다. 그 다음에, 이 고전압 구형파는 다중탭 트랜스포머(114)를 통해 전달된다. 도 9에 도시되어 있는 발파기(100)의 다른 특징부로는 LCD 디스플레이(106), 키패드(104), 배터리 충전 회로(126), 및 사용자가 동작을 개시하는 버튼(108, 110)이 있다. 유럽의 다른 형태의 발파기는 키 작동 불능(key disable)(도시생략)을 구현하게 될 것이다.

발파 장치(100)는 전류 신호를 사용하여 전선 루프에 에너지를 전달하고, 목표 뇌관에 점화 메시지를 전달하기 위해 이 전류 신호 상에 통신 신호를 인코딩하도록 설계되어 있다. 발파 장치(100)는 점화 메시지만 송출하도록 프로그램되어 있다. 이 발파 장치는 그 자체가 지연 시간을 수정하거나 그 지연 시간을 다시 판독할 수 있도록 하는 프로그래밍을 갖고 있지 않다. 이들 통신 메시지에 대해서는 이후에 더욱 상세히 기술되어 있다. 도 10을 참조하면, 발파 장치(100)는 그 자신에 전원을 제공하는 12V 겔 셀 전지(118)를 가지고 있다. 탭(128)을 통해 외부 전원으로부터 전원을 제공하기 위한 방안도 있다. 12 VDC는 마이크로프로세서(122)로 제어된 전압을 선로 구동기 회로(124)에 제공하는 DC/DC 컨버터(130)로 들어간다. 이 컨버터(130)는 50VDC 내지 200VDC 그리고 600W 정도의 많은 전력을 발파 장치의 나머지 부분에 전달할 수 있다. 선로 구동기 회로(124)는 스위치 모드 회로(132)에 의해 제어되는 브리지 회로이다. 이 구동기 회로(124)는 중앙 탭에서 5KHz 구형파를 발생한다. 커패시터(134)는 트랜스포머(114)의 1차 권선에 연결되어 있다. 이 커패시터(134)는 트랜스포머(114)의 1차 권선이 포화되지 않도록 해준다. 이 트랜스포머(114)는 현장에서 전선 루프의 정확한 임피던스 정합이 가능하도록 출력 상에 다중 탭을 제공한다. 2차 권선들은 탭(112)을 통해 외부 루프와 연결시키기 위해 2차 권선들 중 하나를 선택할 수 있게 해주는 릴레이 뱅크(136)를 통해 연결되어 있다. 마이크로프로세서(122)가 트랜스포머(114) 상의 정확한 2차 권선 탭을 신중히 선택할 수 있게 해주는 전류 감지기(116)가 있다. 이 발파 장치는 전원 아암 버튼(108)과 점화 버튼(110)을 가지고 있다. 이 발파 장치(100)는 또한 사용자가 원하는 설정을 할 수 있도록 해주는 LCD 디스플레이(106)와 키패드(104)도 가지고 있다.

발파 장치(100)는 이 장치를 작동시키도록 프로그램되어 있는 마이크로프로세서(122)를 가지고 있다. 전원 버튼(108)을 누르면, 이 발파 장치는 기동 시퀀스를 시작한다. 플로우차트는 도 11에 도시되어 있다. 시작 메시지가 LCD 디스플레이(106) 상에 표시된다. 선로 트랜스포머(114)는 탭 1로 설정되고, DC/DC 컨버터(130)는 그 자신의 최하위 전압으로 설정되어 있다. 그 다음에, 그 프로그램은 DC/DC 컨버터(130)로의 전압 명령을 증분시키고, 출력쌍(112)에 흐르는 전류를 감지 트랜스포머(116)를 통해 모니터링한다. 전류 레벨이 3 내지 4 암페어로 일반적으로 설정되는 최대 설정에 도달하면, 그 발파 장치는 전압을 변경시키는 일을 중단한다. DC/DC 컨버터(130)로의 명령이 최대값에 도달하였지만 그 전류가 아직도 최대값에 도달하지 않았으면, 그 프로그램은 그 발파 장치를 트랜스포머(114) 상의 그 다음 탭으로 설정한다. 그 다음에, 그 프로그램은 DC/DC 명령을 최하위 설정에서 다시 시작하여, 전류 설정점에 도달하기 위해 램프 과정(ramp process)을 반복한다.

그 프로그램이 목표 출력 전류에 도달하면, 발파 장치는 LCD 디스플레이(106)를 현재의 데이터로 갱신한다. 발파 장치는 이러한 최대 전력 파형을 1초 동안 출력 루프에 제공하게 됨으로써, 그 선로 상의 모든 뇌관(2)은 완전 충전을 축적할 기회를 갖게 된다. LCD 디스플레이(106)는 한번 더 갱신되어 사용자에게 점화 버튼(110)을 눌러도 된다는 것을 알려준다. 이제, 점화 버튼(110)을 누를 수 있고, 그 버튼을 누르면 점화 메시지가 전류 루프 상에 인코딩된다. 이 점화 메시지는 뇌관을 격발하게 되고, 사용자는 이제 버튼에서 손을 떼어도 된다.

이러한 뇌관 시스템의 이러한 설계와 기존의 모든 방법들을 구별지워주는 주된 차이점은 전력 및 통신을 전송하기 위해 전압쌍이 아닌 전류 루프를 구현했다는 것이다. 도 12를 참조해보자. 본 방법에서는 전류를 모든 뇌관(2)에 연결시키기 위해 트랜스포머[전자 어셈블리(4)의 중앙에 구멍(10)이 있음]를 사용할 수 있다. 또한, 전압쌍이 전압 강하와 간섭에 취약하게 될 경우, 전류 루프는 외부 영향으로부터의 간섭에 거의 영향을 받지 않을 뿐만 아니라 동일한 전하 에너지량을 시스템상의 모든 뇌관에 전달하게 된다. 이러한 트랜스포머 결합 해결책의 주된 취약점은 발생되기가 훨씬 더 어려운 전자기 간섭의 형태인 자기 결합에 대해서이다. 이 시스템에서의 루프 내부의 면적도 또한 최소화되어 동일한 경로를 따라 되돌아오고, 따라서 시스템에 영향을 주기가 훨씬 더 어렵게 된다. 그 밖에도, 이 시스템에서 채용되는 전류 및 주파수의 값은 그 시스템의 신뢰성과 안정성에 영향을 주려면 실로 엄청난 간섭원이 있어야 할 정도의 값으로 되어 있다. 이러한 뇌관 연결 방법에서는 발파기(100)가 평범한 절연 전선을 사용하여 지표면 상에 루프 형태의 점대점 연결을 할 수 있게 된다. 이러한 지표면 연결에서는 어떤 종류의 커넥터도 사용하지 않으며, 설치자가 다시 가서 자기 마음대로 네트워크를 재연결 또는 재구성하는 것이 가능하게 된다.

전선 루프의 새로운 토폴로지 이외에도, 고유의 통신 방법이 채용된다. 루프에 제공되는 전류 파형은 패킷들로 분해된다. 이들 패킷의 도달 주파수는 동일하지만, 듀티비는 변경된다. 비트마다 이렇게 듀티비를 조정함으로써 동시에 전달되는 전력 내에 이진 메시지를 인코딩하는 것이 가능하게 된다. 메시지는 개개의 비트로 형성되고, 많은 별도의 명령들이 작성되어 뇌관에 전달될 수 있다.

이 시스템 내에는 또 하나의 통신 방법이 존재한다. 각각의 전기 지발 뇌관(2)은 전술한 바와 같이 그 안에 적외선 LED(6)를 가지고 있다. 전술한 휴대형 프로그램 기기(50)과 함께 사용되는 경우, 상태 및 정보 메시지는 뇌관(2)으로부터 휴대형 프로그램 기기(50)로 되보내질 수 있다.

뇌관(2)과 발파기(100)로 된 시스템은 신규의 방법에 의해 상호 연결된다. 이 방법에서는 긴 전선 루프를 포함하며, 각각의 뇌관은 뇌관(2)의 중앙을 한번 통과하는 전선을 사용하여 그 루프에 연결된다. 일반적인 프로젝트에서 뇌관들을 통과하는 전선 루프는 100 미터(테스트 모드에서만)에서 5000 미터까지의 임의의 길이일 수 있다. 이 전선은 어떤 경우에는 연선을 닮은 패턴으로 배치되지만 실제로는 루프이다(도 12). 소위 단부 종단(end termination)이 없다. 전선(102)은 발파기(100)에서 나와서, 지상 위를 지나, 첫번째 발파공 아래로 내려가, 뇌관을 한번 통과하고, 다시 그 발파공 위로 나와서, 그 다음 뇌관으로 계속간다. 이 전선이 모든 뇌관을 한번씩 다 지나갈 때까지 계속하여 이와 같이 하며, 그런 다음에 전선은 발파기(100)에 있는 제2 단자(112)로 되돌아온다. 이 전선을 처음에 그 전선이 나갔던 것과 동일한 경로를 따라 되돌아오게 하면 얼마간의 이점이 있을 수 있다. 목표는 연선을 닮도록 하는 것이 아니라 그 대신에 루프의 내부의 면적을 최소화함으로써 자기 모드에 있어서 루프의 지구에 대한 결합을 감소시키는 것이다. 그렇지만, 이러한 동일한 복귀 경로가 필수적인 것은 아니다. 전선 경로(wire run)가 이렇다 할 종단 저항이 없는 루프의 형태이기 때문에, 그 전선 경로는 정상파(standing wave)에 취약하다. 다행스럽게도, 발파 장치가 동작하는 음성 주파수에서 이러한 정상파는 미미하며 약간 더 많은 전류를 사용함으로써 극복되어 왔다.

유사한 전류 루프 시스템이 휴대형 프로그램 기기와 하나의 전기 지발 뇌관 사이에 이용된다. 휴대형 프로그램 기기(50)와 관련하여 앞서 설명한 바와 같이, 뇌관(2)은 안전실 내에 설치된다. 도 6을 참조하면, 단 하나의 도체가 뇌관(2)의 중앙을 통과하며, 그 다음에 완전히 설치된 현장 적용에서 존재하는 것과 동일한 전류 파형을 갖는 전원이 휴대형 프로그램 기기(50)에 의해 이 뇌관(2)에 공급된다.

여러개의 뇌관으로 된 시스템은 단 하나의 전류 전선 루프로 그 모두가 결선된다. 도 12를 참조하면, 최종의 현장 설치는 발파 장치(100)와 다수의 개별 뇌관(2)으로 이루어져 있다. 전선(102)은 발파기(100)로부터 나와서 각자의 뇌관(2)을 지나 다시 발파기(100)로 오는 루프 모양으로 배치된다. 루프(102)와 뇌관(2) 사이에 전기 접촉이 이루어지지 않고 자기 결합만이 있다.

도 13을 참조하면, 루프 상의 전류는 일반적으로 5 KHz인 파형으로 이루어져 있다. 이 전류는 루프의 길이와 뇌관의 수에 따라 3 내지 5A (피크-피크)의 값을 갖는 사인파 파형으로 설정된다. 도 13에 도시되어 있는 바와 같이, 그 파형은 메시지를 전달하기 위해 턴온 및 턴오프된다. 이것을 통상 온 오프 키잉(On Off Keying), 즉 OOK라고 한다.

도 14를 참조하면, 캐리어의 온/오프 패턴은 이진 비트를 형성하기 위해 타이밍이 조정된다. 캐리어의 시작 사이의 기간은 항상 5 msec이며, 따라서 비트 데이터 레이트는 200 bps이다. 캐리어가 4 msec 동안은 온이고 1 msec 동안은 오프일 경우는 항상 그 비트가 0인 것으로 본다. 캐리어가 1 msec 동안은 온이고 4 msec 동안은 오프일 경우는 항상 그 비트가 1인 것으로 본다. 이들 2가지 타이밍 관계는 전류 루프에서 허용되는 최적의 관계이다.

0과 1의 스트림은 뇌관(들)에 메시지를 전달하기 위해 사용된다. 도 15를 참조하면, 1과 0은 이제 단일의 시작 비트(1), 8개의 데이터 비트, 그리고 종료 비트(0)를 갖는 표준 비동기 워드를 형성한다. 그 다음에, 메시지는 이러한 8비트 바이트들로 형성된다.

메시징 방식의 구성은 다음과 같다. 즉, 루프와 뇌관에 전원을 공급하고, 뒤이어서 메시지를 전송하며, 3개의 메시지 중 2개에 대해 뇌관으로부터의 메시지를 사용하여 적외선을 통해 응답하게 된다. 뇌관은 어떤 메시지 도착도 예상되기 전에 1초 동안 루프로부터 전원을 끌어낸다. 발파 장치는 이 1초 동안에 커패시터에 25 내지 29 VDC가 존재하게 될 때까지 점차적으로 그 커패시터에 전하를 축적한다. 도 16을 참조하면, 전원 충전 사이클은 시각 t = 0 msec와 시각 t = 1000 msec 사이에 도시되어 있다. 뇌관은 메시지들 중 2개, 즉 지연 설정과 지연 판독 에 대해 적외선 전송을 사용하여 응답하게 된다. 이러한 적외선 신호는 뇌관에 있는 적외선 LED의 38 KHz 내지 40 KHz 온/오프 사이클의 그룹들로 구성되어 있다. 이러한 IR 버스트(burst)는 약 260 msec 동안 지속된다. 각각의 버스트는 휴대형 프로그램 기기 내에 있는 IR 수신기에 의해 검출되어 펄스 스트림으로 변환된다. 각각의 버스트는 400 내지 500 msec 펄스가 된다. 이 펄스들은 2500 msec 간격으로 떨어져 있다. 즉 초당 400 비트이다. 뇌관은 시작 비트, 8개의 데이터 비트 그리고 종료 비트를 발생하기 위해 이러한 방식으로 이들 버스트에 간격을 두고 있다. 그 다음에, 이러한 비동기 워드는 메시지를 전달하는 데 사용된다.

적외선 메시지는 뇌관으로부터 휴대형 프로그램 기기로 보내진다. 그 메시지는 5 바이트, 즉 16진수 FF, 지연 하이(delay hi), 지연 로우(delay low), 에러 바이트, 그리고 체크섬으로 이루어져 있다. 16진수 FF는 휴대형 프로그램 기기가 착신 비트에 정확하게 동기(lock)하는 것을 돕기 위해 보내진다. 하이 및 로우 지연 바이트는 연접되어 16 비트 지연 워드를 형성하게 된다. 그것은 비휘발성 메모리에 저장되어 있는 워드의 반복에 불과하다. 그것은 1/32768초씩 확장된다. 에러 바이트는 다수의 가능한 뇌관 고장 표시를 인코딩한다. 비트 0, 1 및 2는 4 가지 가능한 신관 헤드 구동 회로 고장 상태를 인코딩한다. 비트 4는 비휘발성 메모리가 다 채워져 있음을 나타낸다. 체크섬은 그 메시지의 유효성을 확인한다.

휴대형 프로그램 기기의 사용자는 새로운 지연 시간을 가지고 있는 뇌관에 전송하도록 선택할 수 있다. 이 메시지는 새로운 지연 명령 ID 바이트, 지연 하이 바이트, 지연 로우 바이트 및 체크섬으로 이루어져 있다. 이 메시지는 그 지연을 1/32768초 간격으로 저장한다. 새로운 지연은 비휘발성 메모리에 저장되며, 적외선 확인 메시지가 전송된다. 휴대형 프로그램 기기의 사용자는 '현재의 지연 시간 판독' 메시지를 가지고 있는 뇌관에 전송하도록 선택할 수 있다. 이 메시지는 지연 판독 명령 ID 바이트와 체크섬으로 이루어져 있다. 비휘발성 메모리에 저장되어 있는 지연이 판독되고, 적외선 확인 메시지가 전송된다.

점화 메시지는 발파 장치에 의해서만 전송된다. 이 메시지는 3개의 점화 메시지로 이루어져 있으며, 이에 따라 모든 뇌관이 유효한 점화 메시지를 수신하여 타이밍 동작을 개시할 3번의 기회를 가질 수 있다. 바이트의 순서는 점화 명령 ID 바이트, 점화 태그 1, 체크섬, 점화 명령 ID 바이트, 점화 태그 2, 체크섬, 점화 명령 ID 바이트, 점화 태그 3, 체크섬이다. 뇌관이 유효한 태그 1 메시지를 수신하면, 그 뇌관은 카운트-업 타이머(count-up timer)를 600msec로 설정한다. 뇌관이 태그 1을 놓치고 태그 2를 수신하는 경우, 그 뇌관은 카운트-업 타이머를 400msec로 설정한다. 뇌관이 태그 1과 태그 2를 놓치고 태그 3을 수신하는 경우, 그 뇌관은 카운트-업 타이머를 200 msec로 설정한다. 어느 메시지가 수신되는지에 상관없이, 모든 뇌관에 있는 카운트-업 타이머는 동시에 T=0 시각에 다같이 도달한다. 폭발 시간의 카운트 다운은 이 공통의 기준점으로부터 실행된다.

이상에서 기술한 바와 같이, 본 발명은 전체 시스템을 프로그램, 설치 및 폭발시키는 데 사용되는 구성요소들로 된 시스템을 형성하는 주요한 특징들의 조합을 포함한다. 이 시스템의 양호한 실시예에서, 3개의 구성요소, 즉 1) 프로그램가능한 전기 지발 뇌관(여러개의 이러한 뇌관이 한번의 폭발/발파 작업을 위해 사용됨), 2) 각각의 뇌관이 지반에 설치되기 이전에 사용자가 그 뇌관에 지연 특성을 설정할 수 있게 해주는 휴대형 프로그램 기기, 및 3) 뇌관의 전체 회로망에 전원을 투입하고 목적한 순서대로 또 정확한 지연 타이밍으로 폭발하도록 명령하는데 사용되는 발파 장치가 포함되어 있다.

본 발명의 뇌관 시스템의 설계와 모든 종래 기술의 시스템을 구별해주는 중요한 차이점은 전원과 통신 모두를 전송하기 위해 전압쌍이 아니라 전류 루프를 구현했다는 것에 있다. 본 발명의 구성에서는 트랜스포머를 사용하여 발파 장치나 휴대형 기기 중 어느 하나로부터 전류를 모든 각각의 뇌관에 연결시킬 수 있다. 전압쌍이 전압 강하와 간섭에 취약한 반면에, 본 발명의 전류 루프는 시스템 내의 모든 뇌관에 동일한 양의 전하 에너지를 전달하게 된다. 게다가, 전류 루프는 외부 영향으로부터의 간섭에 거의 영향을 받지 않는다. 본 발명의 설계는 비교적 민감한 전압 결합 시스템보다 훨씬 가까운 거리에서의 낙뢰에 견뎌낼 수 있을 정도로 안정성이 있다. 즉, 전압 시스템은 신관 헤드 뿐만 아니라 모든 뇌관에 하드 결합되어 있으며, 그에 따라 존재하는 어떤 접지 전위도 개개의 뇌관 사이에 전압차를 일으키게 된다. 본 발명의 트랜스포머 결합 시스템에서는 이러한 폭발에의 위험한 노출이 존재하지 않는데, 그 이유는 이러한 시스템은 모든 뇌관에 완전한 갈바닉 절연을 제공하기 때문이다. 그 밖에도, 전압 결합 시스템은 번개와 무선 신호를 포함한 주요 정전기 간섭에도 취약하다. 본 발명의 트랜스포머 결합 방법은 주로 발생하기가 훨씬 더 어려운 전자기 간섭의 형태인 자기 결합에 영향을 받는다. 이 시스템에서의 루프 내부의 면적도 최소화되어 양호하게는 동일한 경로를 따라 되돌아오고, 영향을 받기 훨씬 더 어렵다. 게다가, 본 발명에서 사용되는 전류와 주파수의 크기도 그 시스템의 신뢰성과 안전성에 영향을 주려면 실로 거대한 간섭원이 있어야 할 정도의 크기이다. 본 발명의 뇌관 연결 방법에서는 발파 장치가 평범한 절연된 도체 전선을 사용하여 지표면 상에 루프 형태의 점대점 연결을 이룰 수 있다. 이러한 지표면 연결은 어떤 종류의 특수 커넥터도 사용하지 않으며, 설치자가 다시 가서 원하는 바대로 회로망을 재연결 및 재구성할 수 있다.

본 발명의 뇌관 시스템의 또 하나의 이점은 시간 지연의 프로그래밍 시에 뇌관에 의해 되보내지는 적외선이나 다른 무선 피드백 신호를 포함하고 있다는 것이다. 트랜스포머 결합 루프에서는 신호의 결합을 이루기 위해 비교적 큰 구동 신호를 필요로 하며, 그에 따라 뇌관은 전선 루프를 통해서는 응답을 되보낼 수 없다. 따라서, 뇌관은 어떤 명령 메시지를 받아서 그 메시지를 실행하고 적외선 링크를 통해 그 동작에 대한 결과를 응답한다. 이와 같은 단순한 체크백 특징(check-back feature)에 의해 프로그램 기기는 뇌관이 지반에 설치되기 전에 그 뇌관이 기능에 이상이 없고, 고장이 없으며, 적당한 지연을 가지고 있고, 또 완전히 동작한다는 것을 절대적으로 확신할 수 있게 된다.

본 발명의 추가의 이점은 전자 회로 모듈과 실제의 폭발 캡슐(detonable capsule) 사이에 각종 길이의 전선을 수용할 수 있다는 것이다. 다른 하드 와이어 시스템은 정전기 방전에 취약하게 될 수 있는 반면에, 본 발명의 시스템은 뇌관 자체와 뇌관을 제어하는 전자 회로 사이의 회로를 시스템 결선의 나머지 부분에 노출 시키지 않는다. 따라서, 불안전한 전압 전위가 발생하는 것이 아주 더 어렵다. 전자 회로와 뇌관 헤드 사이의 거리는 1인치부터 10 피트까지 어느 것이나 될 수 있다.

이 뇌관의 추가의 이점은 시스템이 지연된 시간으로 프로그램되는 방식이다. 이를 수행하는 데 사용되는 방법에는 2가지가 있다. 첫번째 실시예에서는, 휴대형 프로그램 기기를 사용하여 뇌관 메모리에 지연 시간을 프로그램한다. 발파나 폭발이 수행될 때, 발파기는 단지 전체적인 점화 명령을 루프로 내보내고, 모든 뇌관은 자신의 시간 지연에 기초하여 동작한다. 다른 대안에서는, 각각의 뇌관이 일련 번호 부여 시스템(serial numbering system)을 사용하여 현장에서 프로그램된다. 각각의 뇌관은 양호하게는 제조 중에 고유의 일련 번호로 프로그램된다. 이 번호는 메시지를 사용하여 루프를 통해 수정될 수 있지만, 이것은 공장에서만 행해지게 된다. 현장 설치 중에, 각각의 뇌관은 그 뇌관의 일련 번호를 검색하기 위해 휴대형 기기에 의해 스캔된다. 휴대형 기기는 그래픽 디스플레이에서 이들 지연을 편성하게 된다. 모든 뇌관이 설치되었으면, 발파기는 모든 일련 번호 데이터를 휴대형 기기로부터 판독한다. 그 다음에 지연 시간이 개개의 뇌관에 할당되어 저장된다. 최종 발파 중에 전원이 루프에 투입될 때, 발파기 장치는 특정의 장치에 대한 각자의 일련 번호와 일치하는 지연을 각각의 뇌관에 전송한다. 이러한 유형의 시스템에서, 이러한 변경이 필요한 경우에는 뇌관이 지반에 설치된 후에 지연 시간이 조절될 수 있다. 전술한 양호한 실시예에서, 지연 시간은 휴대형 기기에 의해 현장에서 뇌관에 프로그램된다.

본 발명의 추가의 이점은 뇌관 전자 회로의 안전을 확인하는 방식이다. 어떤 전자 시스템이라도 신관 헤드에 전원을 공급하기 위해 어떤 형태의 스위치를 사용해야만 한다. 이러한 스위치 소자가 고장난 경우, 초기 전원 투입 시에 잘못된 격발이 발생할 가능성이 존재한다. 본 발명에서는, 이러한 초기 전원 투입이 지표면 상에서 지연 시간을 프로그램할 때에 있게 된다. 이것은 바람직한 일은 아니며, 따라서 본 발명에서는 고장 검출 및 회피 시스템이 개발되었다. 뇌관을 격발하는 전자 회로는 4개의 주 회로로 구성되어 있다. 즉, 하이 및 로우 회로는 내재된 전류 한계를 갖지 않는 안정된 전력(solid power)의 인가를 가능하게 하기 위해 존재한다. 이 회로쌍은 폭발을 점화시키기 위해 존재한다. 또 하나의 회로쌍과 소프트 스위치가 있는데, 어떤 점화 테스트 전류도 인가하지 않도록 하기 위해 서로 직렬인 저항을 갖는다. 전원 투입 시에, 이 회로들은 마이크로프로세서가 고장나면 그 회로 모두에 전원이 공급되지 않도록 결선되어 있다. 마이크로프로세서가 작동하는 것으로 가정하면, 테스트 프로그램은 로우측 소프트 스위치를 사용한다. 하이측 하드 스위치가 오프인 경우, 뇌관은 로우 전위로 풀링된다. 하이측 스위치가 온이 되어 단락된 회로, 즉 결함있는 회로를 나타내는 경우, 뇌관은 이 로우 전위로 되지 않으며, 장애가 검출된다. 테스트는 그 다음 단계로 진행되어, 하이 소프트 회로가 턴온된다. 뇌관은 하이 전위로 되어야만 한다. 그렇지 않은 경우, 로우측 하드 스위치에 결함이 있는 것이다. 이 시점에서, 어떤 단락된 스위치도 없는 것으로 보장된다. 이제, 하이측 하드 스위치와 로우측 소프트 스위치가 턴온된다. 어떤 점화 전류도 흘러서는 안된다. 그렇지 않은 경우, 하이측 하드 스위 치가 고장나 개방된다. 이 테스트를 통과하면, 로우측 하드 스위치와 하이측 소프트 스위치에 전원이 공급되어 그 반대 테스트를 완수한다. 이 테스트를 통과하면, 4개의 회로 모두가 존재하고 동작하는 것으로 본다. 이러한 구성에서는 단일 고장점이 발생할 수는 있지만 이것이 우발적 점화없이 검출될 수 있다. 이러한 뇌관 테스트를 만족시켰다면, 그 뇌관은 완벽하게 안전하고 동작하는 것으로 인정된다.

전술한 시스템의 추가의 이점은 뇌관이 휴대형 기기를 사용하여 프로그램되고 있을 때 그 뇌관이 점화 메시지를 수신하지 못하도록 보호하는 방식이다. 통신 프로토콜은 지연 설정, 지연 판독, 그리고 폭발 점화를 포함한 3개의 메시지를 고려하고 있다. 중지(abort)는 전원을 차단하고 저장 커패시터에 있는 축적 전하가 소멸될 수 있도록 함으로써 달성된다. 비점화 전압(non-fire voltage)은 대략 10초 미만 내에 달성된다. 그럼에도 불구하고, 불량 점화 메시지에 대비한 간단한 보호 방법은 2중으로 되어 있다. 휴대형 기기는 점화 메시지를 발생하는 데 필요한 데이터를 사용하여 프로그램되지 않는다. 게다가, 명령 메시지는 체크섬 뿐만 아니라 그 명령에 대한 단일 바이트를 전송하는 것으로 이루어져 있다. 그 바이트가 일치하지 않고 체크섬이 정확하지 않으면, 아무런 조치도 취해지지 않는다. 단일 바이트가 다른 명령으로 잘못 해석되기 위해선느, 4개의 비트가 부적절하게 반전되어야만 한다. 게다가, 1 바이트 체크섬이 메시지의 끝부분에 부가되어 그 메시지의 유효성을 확인할 수 있도록 적절히 계산되어야만 할 것이다. 지연을 프로그램하거나 그 값을 다시 판독하는 것을 의미하는 메시지가 점화 메시지로서 판독될 수 있는 가능성은 아주 적다.

게다가, 안정된 시스템을 보장하기 위해 포함되어 있는 메시지 프로토콜의 또 하나의 측면이 있다. 폭발이 엉뚱한 때에 일어나는 일이 절대로 있어서는 안된다. 같은 이유로, 거의 똑같이 중요시해야 할 것은 점화 메시지가 없는 경우에는 폭약이 남아 있어서는 절대로 안된다는 것이며, 그 이유는 폭발 후에 불발 물질이 들어 있는 발파공은 아주 위험하기 때문이다. 이러한 요건은 2가지 설계 특징에 의해 충족된다. 전체 폭발 시스템이 점화될 때, 모든 뇌관은 동기화되어 있어야만 하며 또한 동시에 타이밍 다운(timing down)을 시작해야 한다. 어떤 폭발도 점화로부터 제외되지 않도록, 점화 메시지는 3번 보내진다. 모든 뇌관에게 유효한 점화 신호를 포착할 기회가 3번 주어진 것으로 가정하면, 그 뇌관 모두는 이제 동일한 기준 시간선에 정확하게 동기화되어 있다. 또한, 유효한 점화 메시지가 수신되어 시간 카운트가 진행 중인 경우, 발파 장치는 뇌관을 점화시키는 데 사용되는 충전 커패시터의 전압을 모니터링한다. 최종 시간이 만료되기 전에 이 전압이 비점화 전압(no fire voltage) 근처에 도달하는 경우, 발파 장치는 충전이 너무 낮기 전에 그 순간에 점화한다. 따라서, 뇌관에 불량 품질의 커패시터가 있거나 충격파가 커패시터에 손상을 입힌 경우, 폭발이 조기에 수행된다. 규정에 대한 예외가 되는 것인 이러한 순서를 무시한 행동(out of sequence behavior)은 폭발 이후에 발파공에 불발 물질을 방치하는 것 보다는 바람직한 것으로 생각된다.

본 발명에 대해 양호한 실시예를 참조하여 기술하였다. 다른 사람들도 이상의 상세한 설명을 읽고 이해하면 명백한 수정 및 변경이 떠오를 것이다. 의도하는 바는 이러한 수정 및 변경이 첨부된 청구항 또는 그의 등가물의 범위에 속하기만 한다면 본 발명이 이들 모두를 포함하는 것으로 해석되어야만 한다는 것이다.

Claims (22)

1. 신관 헤드를 갖는 뇌관(explosive detonator)에 연결되어 그 뇌관의 점화를 제어된 방식으로 실시할 수 있는 전자 지연 어셈블리(electronic delay assembly)에 있어서,

   a) 개구부를 가짐과 동시에, 상기 전선에 흐르는 전류에 기초하여 출력 신호를 발생하는 자기 결합 소자(magnetic coupling device)(상기 개구부는 상기 자기 결합 소자를 통해 지나가는 도체 전선을 수납하도록 구성되어 있음),

   b) 상기 자기 결합 소자에 연결되어 있음과 동시에, 상기 개구부를 통해 지나가는 전선에 흐르는 상기 자기 결합 소자에 의해 발생된 전력 신호에 기초하여 전기 에너지를 저장하는 시스템 전력 저장소(system power reservoir),

   c) 비휘발성 내부 메모리를 가짐과 동시에, 상기 시스템 전력 저장소로부터 자신의 동작 전력을 공급받는 마이크로프로세서,

   d) 상기 자기 결합 소자에 연결되어 있음과 동시에, 상기 개구부를 통해 지나가는 전선에 흐르는 상기 자기 결합 소자에 의해 발생된 통신 신호를 디코딩하여 그 디코딩된 통신 신호를 상기 마이크로프로세서에 공급하는 디코더, 및

   e) 상기 시스템 전력 저장소와 상기 뇌관에 있는 신관 헤드(fuse head) 사이에 연결되어 있는 격발 회로(trigger circuit)로서, 상기 마이크로프로세서의 제어 하에서 상기 격발 회로에 연결되어 있는 뇌관을 점화시키기에 충분한 전기 에너지를 상기 시스템 전력 저장소로부터 공급해주는 격발 회로를 포함하는 전자 지연 어 셈블리.
2. 제1항에 있어서, 상기 마이크로프로세서에 연결되어 이 마이크로프로세서에 의해 제어되는 무선 통신 링크로서, 상기 마이크로프로세서의 현재의 동작 상태에 관한 정보나 상기 마이크로프로세서에 저장되어 있는 데이터를 제공하는 무선 통신 링크를 더 포함하는 전자 지연 어셈블리.
3. 제2항에 있어서, 상기 무선 통신 링크는 적외선 발광 다이오드인 것인 전자 지연 어셈블리.
4. 제1항에 있어서, 상기 자기 결합 소자에 의해 발생된 상기 전력 신호는 자신의 출력 전력을 상기 시스템 전력 저장소에 공급하는 전력 정류기(power rectifier)에 공급되는 것인 전자 지연 어셈블리.
5. 제4항에 있어서, 상기 전력 정류기는 다이오드 브리지 전파 정류기(full wave diode bridge rectifier)인 것인 전자 지연 어셈블리.
6. 제1항에 있어서, 상기 시스템 전력 저장소는 커패시터인 것인 전자 지연 어셈블리.
7. 제1항에 있어서, 상기 디코더는 펄스 변별기(pulse discriminator)인 것인 전자 지연 어셈블리.
8. 제1항에 있어서, 상기 자기 결합 소자는 토로이달 트랜스포머(toroidal transformer)인 것인 전자 지연 어셈블리.
9. 제1항에 있어서, 상기 마이크로프로세서에 타이밍 신호를 공급하는 클록을 더 포함하는 전자 지연 어셈블리.
10. 제1항에 있어서, 상기 시스템 전력 저장소로부터 전력을 공급받아 상기 마이크로프로세서에 조절된 전압을 공급해주는 전력 조절기(power regulator)를 더 포함하는 전자 지연 어셈블리.
11. 제1항에 있어서, 상기 시스템 전력 저장소의 전압을 모니터링하여 이 전압을 상기 마이크로프로세서에 공급해줌으로써, 상기 시스템 전력 저장소의 전압이 미리 정해진 값 미만으로 떨어지는 경우에는, 유효한 점화 명령이 이미 수신되어 있을 때만, 상기 마이크로프로세서가 상기 격발 회로를 작동시켜 상기 신관 헤드에 전력을 제공하도록 하는 저전압 문턱값 회로를 더 포함하는 전자 지연 어셈블리.
12. 제1항에 있어서, 상기 격발 회로는 서로 연결되어 있는 한쌍의 스위치를 포 함하며, 양 스위치 모두가 상기 마이크로프로세서에 의해 작동되고 나서야만 상기 시스템 전력 저장소로부터 상기 신관 헤드로 전력이 공급되도록 되어 있는 것인 전자 지연 어셈블리.
13. 제12항에 있어서, 상기 격발 회로는 하이측 하드 구동, 로우측 하드 구동, 하이측 소프트 구동, 그리고 로우측 소프트 구동을 포함한, 전력 스위치를 형성하는 4개의 회로를 포함하는 것인 전자 지연 어셈블리.
14. 제13항에 있어서, 어떤 구동 회로에 장애가 있는 경우에는 상기 어셈블리가 잘못하여 상기 신관 헤드로 전력이 전달되게 하여 뜻하지 않은 폭발이 일어나는 일이 없도록, 상기 전선을 통과하는 상기 자기 결합 소자에 의해 발생된 통신 신호는 상기 격발 회로에 있는 4개의 구동 회로의 기능을 테스트하기 위한 테스트 신호를 포함하는 것인 전자 지연 어셈블리.
15. 제1항에 있어서, 상기 전선을 통과하는 상기 자기 결합 소자에 의해 발생된 통신 신호는 상기 마이크로프로세서의 상기 비휘발성 메모리에 특정의 폭발 시간 지연을 저장하는 타이밍 신호를 포함하는 것인 전자 지연 어셈블리.
16. 제1항에 있어서, 상기 전선을 통과하는 상기 자기 결합 소자에 의해 발생된 통신 신호는 상기 전자 어셈블리에 연결된 뇌관을 사전 프로그램된 지연 시간에서 점화시키도록 상기 전자 어셈블리를 작동시키기 위한 제어 신호를 포함하는 것인 전자 지연 어셈블리.
17. 제2항에 있어서, 상기 전선을 통과하는 상기 자기 결합 소자에 의해 발생된 통신 신호는 외부 프로그래밍 기기로부터의 타이밍 신호를 포함하며,

    상기 마이크로프로세서의 상기 비휘발성 메모리에 저장되어 있는 상기 타이밍 신호는 상기 전자 어셈블리의 폭발 시간 지연을 형성하고,

    상기 타이밍 신호에 의해 형성되고 상기 마이크로프로세서에 저장되어 있는 상기 폭발 시간 지연은 상기 마이크로프로세서에 저장되어 있는 상기 폭발 시간 지연의 정확성을 확인하기 위해 상기 통신 링크를 통해 상기 프로그래밍 기기로 다시 공급되는 것인 전자 지연 어셈블리.
18. 제1항의 상기 전자 지연 어셈블리에 폭발 시간 지연을 프로그래밍하는 방법에 있어서,

    a) 상기 전자 지연 어셈블리를 프로그래밍 기기에 위치시키고, 상기 자기 결합 소자에 있는 상기 개구부를 통해 도체 전선이 지나가게 하는 단계,

    b) 상기 전선을 통해 전력 신호를 전달하고, 이에 따라 상기 전자 지연 어셈블리의 상기 시스템 전력 저장소에 전기 에너지가 저장되도록 하는 단계,

    c) 상기 전자 지연 어셈블리에 대한 원하는 지연 시간을 선택하는 단계,

    d) 상기 원하는 지연을 통신 신호에 인코딩하여 이 통신 신호를 상기 전선을 통해 전달하고, 이에 따라 상기 디코더가 상기 원하는 지연 시간을 상기 마이크로프로세서에 공급하도록 하는 단계,

    e) 상기 원하는 지연 시간을 상기 마이크로프로세서의 상기 비휘발성 메모리에 저장하는 단계, 및

    f) 상기 프로그래밍 기기로부터 상기 프로그램된 전자 지연 어셈블리를 제거하는 단계를 포함하는 프로그래밍 방법.
19. 삭제
20. 제2항의 상기 전자 지연 어셈블리에 폭발 지연 시간을 프로그램밍하는 방법에 있어서,

    a) 상기 전자 지연 어셈블리를 프로그래밍 기기에 위치시키고, 상기 자기 결합 소자에 있는 상기 개구부를 통해 도체 전선이 지나가게 하는 단계,

    b) 상기 전선을 통해 전력 신호를 전달하고, 이에 따라 상기 전자 지연 어셈블리의 상기 시스템 전력 저장소에 전기 에너지가 저장되도록 하는 단계,

    c) 상기 전자 지연 어셈블리에 대한 원하는 지연 시간을 선택하는 단계,

    d) 상기 원하는 지연을 통신 신호에 인코딩하여 이 통신 신호를 상기 전선을 통해 전달하고, 이에 따라 상기 디코더가 상기 원하는 지연 시간을 상기 마이크로프로세서에 공급하도록 하는 단계,

    e) 상기 원하는 지연 시간을 상기 마이크로프로세서의 상기 비휘발성 메모리에 저장하는 단계,

    f) 상기 실제 저장된 지연 시간을 상기 통신 링크를 거쳐 다시 상기 프로그래밍 기기로 전달하고, 상기 실제 저장된 지연 시간이 상기 원하는 지연 시간과 일치하지 않는 경우 상기 단계 d) 및 e)를 반복하는 단계, 및

    g) 상기 실제 저장된 지연 시간이 상기 원하는 지연 시간과 일치한 후에 상기 프로그래밍 기기로부터 상기 프로그램된 전자 지연 어셈블리를 제거하는 단계를 포함하는 프로그래밍 방법.
21. 제18항 또는 제20항에 있어서, 상기 격발 스위치의 동작을 테스트하는 단계와, 이 테스트를 통과하지 못하는 전자 지연 어셈블리는 모두 폐기시키는 단계를 더 포함하는 프로그래밍 방법.
22. a) 뇌관이 연결되어 있는 제1항의 상기 전자 지연 어셈블리를 제공하는 단계,

    b) 원하는 시간 지연을 상기 전자 지연 어셈블리에 프로그래밍하는 단계,

    c) 상기 프로그램된 전자 지연 어셈블리를 통해 원하는 길이의 도체 전선이 지나가게 하는 단계,

    d) 상기 프로그램된 전자 지연 어셈블리, 상기 연결된 전선, 및 뇌관을 특정 의 위치에 설치하는 단계,

    e) 발파 현장의 각각의 장소에 대해 단계 b) 내지 단계 d)를 반복하는 단계,

    f) 각각의 전자 지연 어셈블리에 연결된 전선을 전선 루프의 형태로 발파 장치에 연결시키는 단계, 및

    g) 상기 전선 루프를 거쳐 각각의 전자 지연 어셈블리에 있는 상기 자기 결합 소자를 통해 공급된 전력 및 통신 신호를 사용하여 상기 프로그램된 전자 지연 어셈블리와 연결된 뇌관들의 폭발을 수행하는 단계를 포함하는 발파 동작 수행 방법.

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