RS66730B1 - Programabilni neeksplozivni elektronski inicijator za miniranje stena i egzotermna reakcija i proces testiranja inicijatora - Google Patents

Description

Opis

Tehnička oblast razvoja

[0001] Ovaj razvoj ima za cilj da obezbedi neeksplozivni (deflagracioni) programabilni elektronski inicijator za brzo širenje metalne smeše (kao što je plazma i/ili eksplozivi različite kategorije), koji nastoji da obezbedi rešenje za sledeće tehničke probleme u fragmentaciji stena; da se postigne visoka temperatura neophodna za aktiviranje brzoekspandirajuće metalne smeše sa veoma niskim potrebnim naponom; da se poboljša stopa neaktivirajućih punjenja (koja zaostaju iza ispaljivanja) sa efikasnim sistemom testiranja; da se obezbedi kontinuitet rada, poveća produktivnost i bezbednost u procesima koji su u vezi sa fragmentacijom stena sa programiranim sistemom odlaganja u svakom inicijatoru.

Opis stanja tehnike

[0002] Od pronalaska dinamita, eksploziv se više ne detonira vatrom, već udarcima koje izaziva prethodna detonacija visokog eksploziva (udarni talas). Ovi postupci su ono što se naziva „sistemi za inicijaciju“.

[0003] Godine 1863. Alfred Nobel je patentirao svoj prvi inicijator, koji se sastojao od komada drveta ispunjenog barutom. Kasnije je izumeo uređaj sa sistemom bakarnih kapsula unutar kojih se nalazio živin fulminat. Potom je razvijen širok spektar detonatora čije su karakteristike varirale u zavisnosti od okolnosti u kojima je trebalo da se primenjuju (vađenje ruda, kamenolomi, građevinarstvo) i vrste dinamita sa kojim su se koristili.

[0004] Drugi sistem inicijacije je sigurnosni fitilj ili sistem sporog fitilja. On se sastoji od baruta umotanog u tekstilno predivo, sa mašinom za pletenje, a zatim vodootpornog slojem asfalta i prekrivenog novim slojem tekstila ili voska. Od 1936. do danas, koristi se detonirajući kabl, koji je fleksibilno, vodootporno uže koje u unutrašnjosti sadrži eksploziv, prvobitno trinitrotoluen (TNT) i pentrit.

[0005] Masovna primena eksploziva u više od 140 godina dugoj istoriji industrije posledica je njihove niske cene i pristupačnosti. Došlo je do tehnološkog napretka mešanja i detonatora. Trenutno se tehnologija eksploziva koja je u upotrebi sastoji od upotrebe agensa za miniranje, „Anfo“ (amonijum nitrat – mazut), smeše amonijum nitrata i nafte koja ne proizvodi toksične gasove i ima adekvatnu snagu u zavisnosti od vrste stene koja se fragmentira.

[0006] Tehnički problem sa miniranjem stena je njegov uticaj na stene u blizini, jer može da produkuje intenzivnu fragmentaciju i narušavanje integriteta stena u okolini ako su sistemi miniranja ili bušenja neadekvatni. Šteta je veća ukoliko se energija miniranja prenosi na udaljenije područje, dovodeći do destabilizacije strukture rudnika.

[0007] Rezultati miniranja zavise od faktora kao što su: tip stene, režim naprezanja, strukturna geologija i prisustvo vode. Odgovarajuće mere za maksimalno smanjenje štete prilikom miniranja uključuju: pravilan izbor eksploziva, korišćenje tehnika miniranja po obodu kao što su miniranje pre podele (paralelne rupe na malom rastojanju koje definišu perimetar iskopa), naboje za razdvajanje (prečnik eksploziva je manji od prečnika minske bušotine), vreme odlaganja i zaustavljanje bušenja.

[0008] Neke reference u vezi sa razvojem elektronskih detonatora mogu da uključuju evropski patent DE 102005052578.4 koji opisuje postupak i sistem za dodeljivanje vremena kašnjenja elektronskom detonatoru sa odlaganjem, gde detonator uključuje registar informacija (24), u kome se beleži željena vrednost vremena kašnjenja, koju dostavlja kontroler, pri čemu se naknadno, tokom predefinisanog vremenskog perioda (t), sadržaj informacionog registra (24) repetitivno dodaje u registar brojača (26), gde se sadržaj akumulira, gde se nakon raspodele sadržaja registra brojača na vreme kalibracije, sadržaj registra brojača (26) zatim broji unazad pomoću istog oscilatora (18) koji kontroliše proces akumulacije. Ovaj pronalazak omogućava da se vrednost vremena kašnjenja koje obezbeđuje kontroler tačno uskladi, korišćenjem oscilatora (18) sa malom preciznošću i bez povratne informacije od okidača (12) do kontrolera.

[0009] Još jedan razvoj u vezi sa elektronskim detonatorima odnosi se na američki patent US 61/108,277 koji opisuje detonator koji uključuje visokonaponski prekidač, inicijator i inicijacionu kuglicu, pri čemu detonator takođe sadrži niskonaponsku do visokonaponsku detonacionu grupu povezanu sa prekidačem i inicijatorom, tako da detonator ukljkučuje integrisani izvor napajanja i inicijator. Detonator takođe može da sadrži kabl za napajanje i komunikacione uređaje, mikroprocesor, tehnologije za praćenje i/ili lociranje, kao što su rfid, gps, itd., i kuglicu eksploziva ili kombinacije eksploziva. Kombinovana eksplozivna kuglica ima prvi eksploziv sa prvom energijom udara i sekundarni visoki eksploziv u izlaznoj kuglici sa drugom energijom udara koja je veća od energije udara prvog eksploziva. Takođe su obezbeđeni sistemi za brzo i jednostavno postavljanje jednog ili više detonatora na terenu.

[0010] Od mnoštva patenata o elektronskim detonatorima, možemo pomenuti patente EP1105693/WO0009967 koji opisuju postupak i aparat za postavljanje aranžmana za miniranja umetanjem najmanje jednog detonatora u svaku od brojnih rupa za miniranje, postavljanjem eksplozivnog materijala u svaku rupu za miniranje, povezivanje sa magistralnom linijom kontrolne jedinice sa izvorom struje koji nije u stanju da zapali detonatore, sekvencijalno povezujući detonatore -koristeći odgovarajuće obilazne linije- sa magistralnom linijom i ostavljajući svaki detonator povezan sa magistralnom linijom. Uređaj dalje uključuje sredstva za prijem i čuvanje u memoriji podataka o identitetu svakog detonatora, sredstva koja dovode do generisanja signala radi testiranja integriteta veze detonatora/magistralna linija i funkcionalnost detonatora, i sposobnost da se svakom detonatoru dodeli predefinisano vremensko kašnjenje koji će biti sačuvano u memoriji.

[0011] Takođe se mogu pomenuti patenti E12706936/EP2678633/ES2540573T3, koji otkrivaju eksplozivni detonatorski sistem za detonaciju punjenja eksploziva pri čemu, tokom upotrebe, raspoređen u detonacionom odnosu, detonatorski sistem sadrži detonator, koji uključuje detonatorsku kapsulu; detonaciono kolo unutar detonatorske kapsule, uključujući detonaciono kolo koje sadrži provodnu putanju; glavu za paljenje unutar detonatorske kapsule, pri čemu glava za paljenje sadrži najmanje dve prostorno razdvojene provodne elektrode i otpornički most koji povezuje prostor između elektroda, integrišući glavu za paljenje sa detonacionim kolom tako da provodna putanja prolazi i duž elektroda i duž otpornničkog mosta; uključen u signal punjenja koji se prenosi detonatoru tokom upotrebe, tako da izlaganje svojstvu punjenja napaja izvor napona, što izvor napona čini sposobnim da izazove razliku potencijala između elektroda koja je najmanje jednaka naponu proboja otporničkog mosta; i udarnu cev koja je obezbeđena, tokom upotrebe, u neposrednoj blizini iniciranja detonatora i koja je sposobna da obezbedi udarni signal u vidu najmanje dela signala punjenja, pri čemu udarna cev sadrži šuplje izduženo telo, unutar kojeg je obezbeđen eksploziv udarne cevi, čija detonacija obezbeđuje udarni signal, pri čemu svojstvo punjenja uključuje najmanje svetlosni impuls punjenja, i, opciono, temperaturu punjenja, pritisak punjenje i/ili radio frekvenciju punjenja signala punjenja, čime čini izvor napona za punjenje stoga osetljivim na svetlosni impuls punjenja i, opciono, ili na temperaturu punjenja, ili na pritisak punjenja i radio frekvenciju punjenja, ili na njihovu kombinaciju; i pri čemu je unutar šupljeg izduženog tela obezbeđena fotoluminiscentna hemikalija koja obezbeđuje svetlosni impuls punjenja.

[0012] Sa druge strane, patent US6173651 B1 otkriva postupak kontrole detonatora opremljenog elektronskim modulom za paljenje. Svaki modul je povezan sa specifičnim parametrima, uključujuči najmanje jedan identifikacioni parametar i vreme kašnjenja rafala, i uključuje kondenzator okidača i rudimentarni unutrašnji sat. Moduli mogu da komuniciraju sa kontrolnom jedinicom okidača opremljenom referentnom vremenskom bazom. Identifikacioni parametri se čuvaju u modulima preko programske jedinice; specifični parametri se čuvaju u kontrolnoj jedinici okidača; za sve module u sekvenci, njihov unutrašnji sat se kalibriše od strane kontrolne jedinice okidača i povezano vreme kašnjenja se šalje u modul; modulima se izdaje komanda da napune kondenzatore okidača i naredba za okidanje se šalje u module preko kontrolne jedinice okidača, što pokreće eventualno resetovanje unutrašnjih satova kao i sekvencu okidanja.

[0013] Drugi SAD patent, US4674047 A1 otkriva detonacioni sistem za upotrebu sa električnim napajanjem koji ima konzolu za paljenje kojom upravlja korisnik za selektivno prenošenje informacija o identifikaciji jedinice, informacija o vremenu odlaganja paljenja i izbora iz skupa komandi uključujući izlaz, kašnjenje, paljenje (vreme), prekid, uključivanje (oružje), unos i skladištenje. Konzola prikazuje odgovore ili sažete informacije iz odgovora okidača električnog kašnjenja na komande. Detonatori imaju eksploziv, kondenzator za skladištenje energije iz izvora za aktiviranje eksploziva, kolo za punjenje kondenzatora iz napajanja i prenos energije od kondenzatora do eksploziva kao odgovor na prvi i drugi signal izazvan komandama. Svaki detonator se može programirati sa jedinstvenim identifikacionim brojem i vremenom kašnjenja. Vremenska baza za svaki detonator se može kompenzovati, čime se izbegavaju greške vremenske baze koje sprečavaju korektno kašnjenje. Kola bezbednosnog koda i softver su opisani na takav način da svaki detonator mogu da aktiviraju samo ovlašćeni korisnici.

[0014] Međutim, njihova upotreba nije bila bez problema; vibracije koje izazivaju eksplozivi ograničavaju njihovu upotrebu u urbanim sredinama i oštećuju životnu sredinu, uzrokujući rizik od pražnjenja i primoravaju kompaniju da snosi troškove geološke reparacije okoline. S druge strane, u komercijalnim rudarskim operacijama, konvencionalna metoda eksplozivne fragmentacije dovodi do pomešane smeše inertnog materijala sa rudom, koja se mora ukloniti iz rudnika, usitniti i preraditi; ovo, dodato iscrpljenju i smanjenju kvaliteta rude širom sveta, implicira povećanje uklanjanja jalovine, a način na koji se ovo tretira je ključni, gde faze kao što je fragmentacija mogu da utiču na produktivnost i profitabilnost kompanije. Iz ovoga proizilazi važnost koncepta kontrolisane fragmentacije u rudarstvu.

[0015] Upotreba alternativnih brzoekspandirajućih metalnih smeša, koje ne sadrže dinamit, datira iz vremena posle Drugog svetskog rata, a tehnološki napredak se uglavnom ogleda u korejskom patentu br. 10-0213577, koji se sastoji od brzoekspandirajuće metalne smeše sa tačkama paljenja do 700°C, sa primenama u industriji rudarenja i građevine, a čija je glavna karakteristika veća i kraća (vremenski) sila ekspanzije, u poređenju sa dinamitom.

[0016] Brzoekspandirajuća metalna smeša odgovara hemijskoj smeši sačinjenoj od metalnih soli i prahova, kji su dostupni na tržištu u više formulacija, prema sledećim primerima:

Formula 1: 2Fe(NO3)2+12Mn ;

Patent br.10-0213577

Formula 2: Fe(NO3)2+3CuO+6Al ;

Patent br.10-0213577

Formula 3: 3Ca(NO3)2+Fe3O4+12Al ; Patent br.10-0213577

Formula 4: Fe2O3+4Na2O+BaCO3+4Mg ;

Patent br.10-0213577

Formula 5: Fe2O3+NaSO4+4Al ;

Patent br.10-0213577

Formula 6: 2Na2O+ Fe2O3+3CuO+2Al ;

Patent br.10-0213577

Formula 7: 2NaClO4+2CuO+2Al ;

Patent br.10-0213577

[0017] Formula, kao što je identifikovana u Formuli 1, datoj prethodno u tekstu, podvrgnuta temperaturama od 1500°C, (treba zapaziti da temperatura paljenja varira u zavisnosti od odnosa smeše soli i metalnog praha u svakoj formuli), pokreće sledeću termohemijsku reakciju svojih komponenti:

2Fe (NO3)3+ 12Mn → 2FeO 4Mn3O4+ 3N2

[0018] Metalna so omogućava oksidaciju metalnog praha, toplota generisana u procesu oksidacije na ekstremno visokim temperaturama (3000°C - 30000°C) nastaje trenutno, oslobađajući veliku količinu toplotne energije, čime se proizvodi, gvožđe (Fe) i mangan-oksid (Mn3O4), prevode u vaporizovane gasove koji se brzo šire; ekspandirani proizvod se vaporizacijom menja u čvrsto stanje, čime se zaustavlja reakcija širenja. Kada se ishod dogodi u zatvorenom prostoru, oslobađanje energije ekspanzije je ono što finalno omogućava lomljenje stena usled dostizanja visokih pritisaka (5000 - 20000 Atm).

[0019] Kao u formuli koja je navedena prethodno u tekstu (formula 1), metalni nitrati su najpoželjniji; međutim, brzoekspandirajuća metalna smeša može da se sastoji i od drugih metalnih soli kao što su: metalni oksidi, metalni hidroksidi, metalni karbonati, metalni sulfati i metalni perhlorati. Ova metalna so može da se koristi sama ili u kombinaciji sa drugim metalnim solima. Konkretno, metalnim nitratima može dalje da se doda najmanje jedna metalna so izabrana od metalnih oksida, metalnih hidroksida, sulfata i metalnih perhlorata, kako bi se kontrolisala temperatura potrebna za otpočinjanje oksidacije i vremenski period potreban za oksidaciju.

[0020] Kao u formuli koja je navedena prethodno u tekstu (formula 1), metalni prah je poželjno odabran iz grupe koja se sastoji od praha aluminijuma (Al), praha natrijuma (Na), praha kalijuma (K), praha litijuma (Li), praha magnezijuma (Mg), praha kalcijuma (Ca), praha mangana (Mn), praha barijuma (Ba), praha hroma (Cr), praha silicijuma (Si), i njihovih kombinacija.

[0021] Proporcije koje se koriste za sastavljanje smeše metalnih soli i metala u prahu definišu se prema odnosu količina kiseonika izazvanog metalnim solima i količina kiseonika potrebnih da se oksiduje metal u prahu. Ovaj odnos generisanja, u odnosu na potrebe, obezbeđuje odnos na bazi molekulskih težina izračunatih iz hemijskih formula.

[0022] Sastav, funkcija i proces pripreme brzoekspandirajuće metalne smeše nisu deo predmeta ovog rada. Postoje različiti javno dostupni dokumenti ili patenti sa ovim informacijama.

[0023] Stanje visoke temperature potrebno za pokretanje reakcije oksidacije brzoekspandirajuće metalne smeše može da se postigne različitim postupcima. Međutim, jedan od postupaka koji se danas najčešće koriste je postupak opisan u patentu EP 1306 642 B1, u kome je predviđena struktura kapsulna za brzoekspandirajuću metalnu smešu, u kojoj se kao izvor toplote koristi toplota pražnjenja visokonaponskog luka (koje izaziva temperaturu u hiljadama stepeni).

[0024] Kao što je opisano u patentu EP 1306 642 B1, kapsula za brzoekspandirajuću metalnu smešu sadrži spoljašnje kućište napravljeno od izolacionog materijala, sa brzoekspandirajućom smešom koja se nalazi u spoljašnjem kućištu, i dve šipke za napajanje koje se pružaju ka spolja sa oba kraja spoljašnjeg kućišta. Dve glavne elektrode za paljenje su obezbeđene da indukuju lučno pražnjenje na unutrašnjim krajevima dve šipke za napajanje. Dve glavne elektrode za paljenje indukuju lučno pražnjenje između njih kada se na njih primeni visoki napon. Kada se na dve šipke za napajanje primeni visoki napon od 2 kV ili više, indukuje se lučno pražnjenje između dve okidačke elektrode, što trenutno izaziva visoku temperaturu od približno 2000°C ili više na pozicijama oko pozitivne i negativne okidačke elektrode. Potrebni napon varira u zavisnosti od rastojanja elektroda, naime, kada su elektrode za paljenje razdvojene intervalima od 200 mm ili više, potrebno je primeniti napon od 6-7 kV ili više na okidačke elektrode da bi se izazvalo efikasno lučno pražnjenje između elektroda. Ipak, u slučaju aktiviranja okidačkih elektroda razdvojenih intervalima od 100 mm ili manje, indukuje se podjednako efikasno lučno pražnjenje između elektroda, čak i kada se koristi napon od 3-4 kV. Podrazumeva se da nivo napona ima male varijacije u zavisnosti od drugih uslova, kao što su vrsta otporničkih žica, kao i vrste i koncentracije elektrolita.

[0025] Nedostaci ovog postupka leže uglavnom u zahtevu za visokim naponom koji je neophodan za postizanje visoke temperature koja pokreće hemijsku reakciju i u nedostatku sistema za testiranje koji bi smanjio ili eliminisao postojanje neaktiviranih kapsula.

[0026] Upotreba patenta EP 1306 642 B1 mogla bi da se smanji u projektima koji zahtevaju veliku zapreminu neeksplozivne fragmentacije, jer bi visoki napon potreban za aktiviranje neophodne hemijske reakcije bio ograničavajući faktor za broj kapsula na terenu. Na primer, ako je u datom projektu potrebno 10 bušotina, korišćenjem sistema iz patenta EP 1306642 B1, bilo bi potrebno povezati 10 inicijatora u seriju; pošto je potreban napon za aktiviranje hemijske reakcije 2 kV po kapsuli, generatorska oprema mora da napaja sistem sa 20 kV.

[0027] Ovaj razvoj se odnosi na neeksplozivni programabilni elektronski inicijator, čija je svrha aktiviranje hemijske reakcije brzoekspandirajuće metalne smeše sa temperaturom višom od 1000°C; čije su glavne karakteristike: zahtev za niskim naponom (manje od 35 V), što omogućava fragmentaciju velikog broja kapsula u mreži (više od 400 kapsula); sistem kašnjenja (od 1 do 64000 milisekundi), koji omogućava veću preciznost i kontrolu fragmentacije; sistem za testiranje koji omogućava validaciju kola pre paljenja, što eliminiše postojanje neaktiviranih kapsula.

[0028] Ove karakteristike koje prave razliku, pojedinačno i udruženo poboljšavaju industrijsku primenljivost brzoekspandirajuće metalne smeše u neeksplozivnoj fragmentaciji stena, čime značajno povećavaju proizvodnju (fragmentirani m<3>), bezbednost i kontrolu uz minimalne energetske potrebe.

[0029] Ukratko, u osnovi tehničkih problema čije rešavanje je cilj ovog razvoja, nalaze se kašnjenje, napon, temperatura i višestruko testiranje.

[0030] U principu, brzoekspandirajuće metalne smeše, za razliku od drugih sličnih proizvoda, nemaju eksplozivne komponente. Međutim, njihova upotreba omogućava postizanje sličnih rezultata i sa važnim prednostima kao što je značajno smanjenje rizika pri rukovanju i transportu, usled velike stabilnosti hemijske smeše u odnosu na udarce, trenje, pritisak i visoke temperature; značajno smanjenje rizika od nesreća na radu; kontinuitet rada usled činjenice da je evakuacija ljudi i opreme minimalna u radijusu blizu područja miniranja; manji uticaj na životnu sredinu zbog minimalnih nivoa vibracija, buke, šrapnela i odsustva toksičnih gasova.

[0031] Međutim, njihova upotreba je ograničena nekim svojstvima aktuelnih patenata dostupnih na tržištu, koja su u kratkim crtama navedena u nastavku teksta:

a. Kašnjenje

[0032] Tehnički problem sa miniranjem stena je njegov uticaj na stene u blizini, jer može da produkuje intenzivnu fragmentaciju i narušavanje integriteta stena u okolini ako su sistemi za miniranje ili bušenje neadekvatni. Jedna od mera koje se koristi da bi se maksimalno smanjio uticaj na životnu sredinu izazvan visokim vibracijama i poboljšala bezbednost terenskog rada je vremensko kašnjenje miniranja.

[0033] U predmetnom razvoju, svaki inicijator ima programabilni sistem kašnjenja, koji omogućava da se unapred i pojedinačno programira potreban period kašnjenja prema rasporedu miniranja. Svaki neeksplozivni programabilni elektronski inicijator [07] može da se programira sa vremenom kašnjenja u opsegu od 1 milisekunde do 64000 milisekundi.

[0034] U slučaju patenta EP 1306642 B1, još jednog inicijatora brzoekspandirajućih metalnih smeša, uočava se odsustvo vremena kašnjenja.

[0035] Neki elektronski inicijatori za eksplozive imaju programabilno vreme kašnjenja, što je slučaj sa patentom US 6173 651 (14000 milisekundi, patentom EP 1105693 B1, WO 0009967 A1 (prema patentu 3000 milisekundi, međutim, prema tehničkom listu 30000 milisekundi) čiji inicijatori imaju najduže vreme kašnjenja poznato do ovog trenutka.

[0036] Još jedna karakteristika dužeg vremena kašnjenja bila bi povećanje produktivnosti, pošto bi mogao da se izvede veći broj bušenja za obimnije miniranje, pri čemu bi se održavao bezbedan nivo u pogledu vibracija, a da pritom radni prostor ne mora ponovo da se oprema, i smanjila bi se izloženost radnika riziku.

b. Napon

[0037] U skladu sa odredbama Pravilnika o električnim sistemima visoke struje u Čileu, visokonaponski, električni sistemi visoke struje ili sistemi sa nominalnim naponom iznad 1000V sa maksimumom od 220000V, smatraju se visokonaponskim električnim sistemima i zahtevaju niz bezbednosnih mera, dok niskonaponski sistemi uključuju sisteme ili instalacije sa nominalnim naponom između 100V i 1000V. Potrebno je razumeti direktan uticaj ove tačke na bezbednost na radu i potencijalni efekat bilo kakve nesreće vezane za život i zdravlje uključenih radnika.

[0038] Ključna karakteristika predmetnog razvoja je isporuka napona potrebnog za aktiviranje jednog (ili više od jednog) programabilnog neeksplozivnog elektronskog inicijatora [07] za brzoekspandirajuću metalnu smešu. Za aktiviranje programabilnog neeksplozivnog elektronskog inicijatora [07] potreban je napon između 24 V i 35 V. Isti napon je potreban za aktiviranje stotinu (100) ili više jedinica neeksplozivnog programabilnog elektronskog inicijatora [07]: 24 V i 35 V. Neophodan napon se ne menja ni u zavisnosti od rastojanja između aktivacionih elektroda ni u zavisnosti od broja jedinica elektronskog inicijatora koje su raspoređene u liniji. To je zato što je veza svakog programabilnog neeksplozivnog elektronskog inicijatora [07] sa linijom paralelna.

[0039] U patentu EP 1306 642 B1, koji razmatra inicijator za aktivaciju brzoekspandirajuće metalne smeše, svaki inicijator zahteva 2000V ili više. Slično tome, ovaj patent ističe različite zahteve za naponom u zavisnosti od rastojanja između aktivacionih elektroda: kada su aktivacione elektrode razdvojene na 200 mm ili više, neophodan napon za aktivaciju je između 6000V i 7000V; kada su aktivacione elektrode razdvojene na 100 mm ili više, neophodan napon za aktivaciju je između 3000V i 4000V. Pošto je veza inicijatora sa linijom serijska, primenjeni napon se deli sa brojem inicijatora na liniji, tako da potreban napon svakog inicijatora raspoređenog u miniranju povećava ukupan potreban napon.

[0040] U konkretnom primeru, ako bi na lokaciji bilo potrebno koristiti 100 inicijatora, procenjuje se da bi bilo potrebno 200000V (ili više) za inicijatore tipa predloženog u patentu EP 1306 642 B1 da bi aktivirali sve inicijatore. Ovaj zahtev je nepraktičan kako u rudarskoj industriji tako i u građevinarstvu. Ako bi se na istoj lokaciji koristili programabilni neeksplozivni elektronski inicijatori [07] predloženi u predmetnom razvoju, ukupni potreban napon bi bio između 24V i 35V.

[0041] U drugim slučajevima, upotreba pirotehničkih kapi ili eksplozivnog loja bila je rešenje kojim se izbegavao zahtev za visokim naponom, čak i ako to znači gubitak nekoliko kvaliteta brzoekspandirajuće metalne smeše, kao što su: smanjeni rizici pri rukovanju i transportu, smanjen rizik od nesreća na radu, i kontinuitet rada.

[0042] Drugi inicijatori kao što su US 5171935 A, CA 2339 167 C, US 8746 144 B2, koriste nizak napon, međutim, oni ne teže dostizanju visoke temperature, što je osnovni uslov za aktivaciju brzoekspandirajuće metalne smeše.

c. Temperatura

[0043] Faktor napona je takođe povezan sa uslovima visoke temperature koji su neophodne za pokretanje reakcije oksidacije brzoekspandirajuće metalne smeše, jer se to može postići različitim postupcima. U patentu EP 1306 642 B1, visoke temperature neophodne (700 °C ili više) za aktivaciju brzoekspandirajuće metalne smeše postižu se visokim temperaturama (hiljade stepeni) do kojih dolazi pomoću električnog luka, iz visokonaponskog pražnjenja; ono je toliko veliko da u nekim slučajevima zaobilazi postojeći filament.

[0044] U predmetnom razvoju, neophodna visoka temperatura (1000 °C ili više) se dostiže kontrolisanim pražnjenjem kondenzatora C7 [21] na filament [30], što dovodi do toga da je on užaren onoliko dugo koliko je potrebno, dostižući neophodnu temperaturu za aktiviranje prve brzoekspandirajuće metalne smeše [13], koja služi kao neeksplozivni loj. Kada se brzoekspandirajuća metalna smeša [13] aktivira, dostiže se neophodna temperatura (1200 °C ili više) za aktiviranje druge brzoekspandirajuće metalne smeše [15].

[0045] Neophodna viša temperatura (1000 °C) za aktiviranje brzoekspandirajuće metalne smeše [13] u programabilnim neeksplozivnim elektronskim inicijatorima [07] ima direktan pozitivan uticaj na bezbednost, kako u pogledu rukovanja, tako i transporta.

d. Sistem za višestruko testiranje

[0046] Takođe treba napomenuti da je jedna od ključnih mera predostrožnosti koju treba preduzeti prilikom miniranja, nakon što je hitac ispaljen, ispitivanje da li su u području gde se interveniše prisutni neaktivirani inicijatori (neuspelo paljenje). Nekontrolisana eksplozija mogla bi ozbiljno da ugrozi integritet radnika, tako da tim pripremljen za ovaj zadatak mora da čuva lokaciju i eliminiše ove hice, prateći uputstva utvrđena u radnim procedurama za određenu lokaciju. Ozbiljnost neaktiviranih inicijatora (neuspelo paljenje) je takva da su u nekim zemljama oni regulisani zakonom.

[0047] Proces zahteva, između ostalog, prisustvo supervizora tokom cele operacije, koji osigurava da ugroženo područje bude raščišćeno, da se sklone radnici i oprema koji nemaju veze sa operacijom i da se koristi minimalan broj radnika koji su za ovu aktivnost neophodni, čime se smanjuje broj ljudi izloženih veoma kritičnim uslovima.

[0048] Ovaj razvoj uključuje sistem testiranja koji sprečava pojavu neaktiviranih inicijatora (neuspelog paljenja) nakon završetka miniranja, čime se smanjuje rizik rada na terenu, omogućava bezbedno izvršenje i poboljšava usklađenost sa programom miniranja.

[0049] Pomoću višestruke interne dijagnostike, programabilni neeksplozivni elektronski inicijatori [07] prema predmetnom razvoju upozoravaju na specifične greške:

• Grešku u komunikaciji između komandne opreme [01] i programabilnog(ih) elektronskog(ih) neeksplozivnog(ih) inicijatora(a) [07].

• Grešku u inicijalnom punjenju kondenzatora C7 [21].

• Grešku u finalnom punjenju kondenzatora C7 [21].

• Grešku kontinuiteta filamenta [30].

• Grešku u vrednosti vremena kašnjenja programiranog u EEPROM memoriji mikroprocesora IC1 [07].

• Grešku u promeni frekvencije sistema.

[0050] Pomoću odgovarajuće softverske dijagnostike dobijaju se potrebne informacije, koje obezbeđuju pravilno funkcionisanje programabilnog(ih) elektronskog(ih) neeksplozivnog(ih) inicijatora(a) [07].

[0051] U slučaju patenta EP 1306642 B1, drugog inicijatora brzoekspandirajuće smeše, može da se uoči nedostatak sistema za testiranje.

[0052] Drugi patenti, kao što je WO 0009967, mogu da uključuju sistem za testiranje usmeren na njihove potrebe; međutim, takvim sistemima nedostaje verifikacija pomaka frekvencije sistema.

[0053] Verifikacija promene frekvencije postaje esencijalna, kako bi se osiguralo ispravno stanje pre aktiviranja funkcije „spavanja“ mikroprocesora IC1 [07], što je direktno povezano sa zahtevom za niskim naponom i postizanjem maksimalnog vremena kašnjenja od 64000 milisekundi.

[0054] Uzimajući u obzir sve navedeno, ovaj razvoj predlaže poboljšanja koji bi omogućila bezbednu i produktivnu, široku upotrebu brzoekspandirajuće metalne smeše.

Osnov razvoja

Zahtevi za funkcionisanje razvoja

[0055] Mora se navesti da ovaj razvoj nije ograničen na određenu metodologiju, jedinjenja, materijale, tehnike proizvodnje, upotrebe i primene koje su ovde opisane, jer one mogu da se razlikuju. Takođe treba razumeti da se terminologija koja se ovde koristi, koristi isključivo u cilju opisivanja određenog primera izvođenja i nije predviđeno da ograničava perspektive i potencijale ovog pronalaska.

[0056] Treba napomenuti da u upotrebi i postupku, ovde, pri navođenju patentnih zahteva i kroz ceo tekst, jednina ne isključuje množinu, osim ako kontekst to jasno ne implicira. Tako, na primer, referenca na „upotrebu ili postupak“ je referenca na jednu ili više upotrebe ili postupaka, i uključuje ekvivalente poznate stručnjacima koji su upoznati sa predmetom (strukom). Slično, kao sledeći primer, referenca na „korak“, „fazu“ ili „režim“ je referenca na jedan ili više koraka, faza ili režima i može da uključuje implicitne i/ili navedene podkorake, podfaze ili podrežime.

[0057] Sve veznike koji se koriste treba razumeti u najmanje restriktivnom i najinkluzivnijem mogućem smislu. Tako, na primer, veznik „ili“ treba razumeti u njegovom primarnom logičkom smislu, a ne kao „ili isključujući“, osim ako kontekst ili tekst to izričito ne zahtevaju ili na to ne ukazuju. Potrebno je razumeti da se opisane strukture, materijali i/ili elementi odnose i na funkcionalno ekvivalentne strukture, materijale i/ili elemente, kako bi se izbegla beskrajna, iscrpna nabrajanja.

[0058] Izrazi koji se koriste za označavanje aproksimacija ili konceptualizacija treba shvatiti kao takve, osim ako kontekst ne nalaže drugačije tumačenje.

[0059] Sva tehnička i/ili naučna imena i termini koji se ovde koriste imaju uobičajeno značenje koje im pripisuje prosečan stručnjak u oblasti, osim ako nije izričito drugačije naznačeno.

[0060] Opisani su postupci, tehnike, elementi, jedinjenja i kompozicije, iako postupci, tehnike, jedinjenja i kompozicije slične ovim opisanim mogu da se koriste ili da budu poželjnije u praksi i/ili prilikom testiranja ovog pronalaska.

[0061] Da bi se obezbedila jasnoća predmetnog razvoja, biće definisani sledeći koncepti:

Kašnjenje: Koncept kašnjenja ili vreme kašnjenja u predmetnom razvoju odnosi se na dodeljivanje odbrojavanja perioda kašnjenja, koji se meri milisekundama (ms) i koji određuje redosled paljenja u eksploziji. Svakom detonatoru se dodeljuje prethodno definisan vremenski period (između 1 i 64000 milisekundi).

Preskakanja paljenja: Koncept preskakanja paljenja za predmetni razvoj, odnosi se na potpuno ili delimično preskakanje paljenja jedne (ili više) kapsula koje su sadržane u sekvenci paljenja u eksploziji. To je nepredviđena posledica visokog rizika, u kojoj se ostaci proizvoda mogu aktivirati bilo kojim mehaničkim efektom tokom faza iskopavanja, mlevenja ili drobljenja u procesu rudarenja.

Mikroprocesor: Koncept mikroprocesora koji se koristi za predmetni razvoj odnosi se na skup integrisanih elektronskih kola koja izvršavaju instrukcije i zadatke uključene u obradu informacija. Predmetni razvoj zahteva mikroprocesor sa sledećim karakteristikama: serijska komunikacija, niska potrošnja energije (poželjno, ali ne ograničeno na 20 nA u režimu spavanja), precizni interni oscilator (poželjno, ali ne ograničeno na 31 KHz do 32 MHz), izvodljivost integracije eksternog niskofrekventnog oscilatora (poželjno, ali ne ograničeno na 32 KHz), kapacitet memorije (poželjno, ali ne ograničeno na EEPROM 256 bajtova, SRAM 256 bajtova) i dovoljan broj ulaznih i izlaznih portova za izvođenje neophodnih funkcija (najmanje 8). Model mikročipa PIC16LF1824/1828 je identifikovan kao praktičan mikroprocesor za izvršavanje komandi i programa neophodnih u predmetnom razvoju.

Komunikacioni protokol: sistem pravila koji omogućava da dva ili više entiteta komunikacionog sistema međusobno komuniciraju i prenose informacije. Ovaj razvoj se odnosi na oblik dvosmerne komunikacije između komandne opreme [01] i neeksplozivnog(ih) elektronskog(ih) inicijatora(a) [07] koja održava prenos informacija i napona potrebnog za rad neeksplozivnog(ih) elektronskog(ih) inicijatora(a) [07], a koji može da se odvija jezikom prenosa bita u sekundi putem naponskih impulsa.

Filament: U predmetnom razvoju, filament ima debljinu, dužinu i materijalnost koji postižu ravnotežu između kapaciteta i otpora kako bi se sprečilo njegovo sečenje i dostigla potrebna temperatura. Na primer, i ne ograničavajući obim ovog termina, ovo bi se moglo odnositi na volframovu nit čistoće koja varira između 99,90% i 99,99%, poželjno 99,93%, 99,95% i 99,97%, u spiralnom obliku, sa dužinom koja varira između 1 i 3 mm, poželjno 2 mm, 2,2 mm, 2,5 mm, sa prečnikom u opsegu između 0,01 mm i 0,1 mm, poželjno 0,01 mm, 0,02 mm, 0,03 mm i sa otporom u opsegu od 2,5 do 4,5 oma, poželjno 3 oma, 3,2 oma, 3,5 oma, 3,6 oma, 3,7 oma, 3,8 oma i 3,9 oma.

Bezbednost: Razvoj se bavi merama predostrožnosti koje treba preduzeti sa različitim uređajima, na osnovu njihove manipulacije i načina održavanja inaktivacije inicijatora putem posebnih komandi kreiranih za tu svrhu.

Egzotermna reakcija: Ovaj razvoj se odnosi na bilo koju hemijsku reakciju koja oslobađa energiju, bilo u vidu svetlosti, bilo u vidu toplote, ili, drugim rečima, sa negativnom varijacijom entalpije.

Plazma: U predmetnom razvoju, plazmom se smatra brzoekspandirajuća smeša metalnih soli koja po inicijaciji proizvodi egzotermnu reakciju na visokoj temperaturi u zatvorenom prostoru. To je veoma stabilna supstanca, pošto ne reaguje na visoke temperature, udarce, trenje i visoke pritiske. Reakcija se inicira na visokim temperaturama, iznad 1000°C.

[0062] Da bi predmetni razvoj funkcionisao, potrebna je komandna oprema (konzola ili master) [01], sa kapacitetom da konvertuje serijsku komunikaciju u komunikacioni protokol zasnovan na modulaciji [03] napona putem komunikacione i strujne linije (paralelne linije) [02A i 02B], konektor [04] koji povezuje navedene paralelne linije sa neeksplozivnim programabilnim elektronskim inicijatorom(ima) [07] (slika 1A i 1B) i čitač RFID kartica (loger) [06].

[0063] Ostali opšti zahtevi za funkcionisanje komandne opreme [01] sastoje se od, ali nisu ograničeni na: eksterno napajanje (poželjno baterija od 24V do 36V), mikroprocesor, mikro SD kartica, Bluetooth sistem, RFID čitač [06], bežični prenos i displej sa tastaturom.

[0064] Funkcionisanje razvoja zahteva i komunikacionu i strujnu liniju [02A i 02B] koja se sastoji od dve paralelne bakarne žice, svaka prečnika većeg od 0,5 milimetara i otpora manjeg od 36 oma po kilometru. Ovi kablovi igraju esencijalnu ulogu i, kada se koriste u skladu sa uputstvima iz tabele I, obezbeđuju i pouzdanost prenosa modulacije [03] napona i komunikacioni protokol (slika 2), kao i napon koji svaki programabilni neeksplozivni elektronski inicijator [07] prima.

Tabela I: Otpor električnog provodnika

Maksimalni otpor bakarne žice om/km na 20°C

[0065] Da bi ovaj razvoj imao praktičnu primenu (u oblasti), trebalo bi da se razmotri upotreba dela dve brzoekspandirajuće metalne smeše [13] i [15] (PLAZMA), sa formulacijom koja je slična prethodno pomenutim formulacijama, kao što su:

Formula 1: 2Fe(NO3)2+12Mn ;

Patent br.10-0213577

Formula 2: Fe(NO3)2+3CuO+6Al ;

Patent br.10-0213577

Formula 3: 3Ca(NO3)2+Fe3O4+12Al ;

Patent br.10-0213577

Formula 4: Fe2O3+4Na2O+BaCO3+4Mg ;

Patent br.10-0213577

Formula 5: Fe2O3+NaSO4+4Al ;

Patent br.10-0213577

Formula 6: 2Na2O+ Fe2O3+3CuO+2Al ; Patent br.10-0213577

Formula 7: 2NaClOa+2CuO+2Al ;

Patent br.10-0213577

[0066] Potrebno je smatrati da će, za upotrebu prema predmetnom razvoju, brzoekspandirajuće metalne smeše [13] i [15] biti aktivirane i da će biti pokrenuta očekivana egzotermna reakcija.

Pregled razvoja

[0067] Pronalazak je definisan nezavisnim patentnim zahtevima 1 i 12. Poželjni primeri izvođenja su definisani u zavisnim patentnim zahtevima.

[0068] Predmetni razvoj se sastoji od programabilnog neeksplozivnog elektronskog inicijatora [07] koji sadrži kapsulu sa dve vrste brzoekspandirajuće metalne smeše [13] i [15] koja omogućava spajanje sa cevi ili čaurom [16] kontejnera, i zaptivni čep [17] (slika 3); i toga da se, kada primi modulaciju [03] napona i komunikacioni protokol (slika 2), pomoću komandi aktiviraju funkcije koje omogućavaju postizanje visokih temperatura neophodnih za iniciranje hemijske reakcije, koristeći zahtev za niskim naponom (manje od 35 V), sa sistemom kašnjenja (od 1 ms do 64000 ms) i sa sistemom za testiranje koji omogućava validaciju kola pre paljenja.

[0069] Algoritam je programiran i sačuvan u mikroprocesoru IC1 [28] kako bi se sistemu obezbedila funkcionalnost. Posredstvom funkcija i komandi, ovaj algoritam prepoznaje ulazni signal, očitava ulazne podatke koji se odnose na frekvenciju oscilatora (slika 4) [28A], očitava podatke sa senzora filamenta i kondenzatora (slika 4) [28C], aktivira portove (slika 4) [28B] za punjenje kondenzatora, pokretanje, pražnjenje kondenzatora, aktivaciju serijskog komunikacionog porta (slika 4) [28E], za slanje podataka preko komunikacione i strujne linije [02A i 02B] do komandne jedinice [01], primanja podataka preko prekida (slika 4) [28D] i centralne procesorske jedinice CPU (slika 4) [28F], koja obavlja zadatak obrade svih funkcija, kao i čuvanja informacija.

[0070] Svaki neeksplozivni programabilni elektronski inicijator [07] ima jedinstvenu i neponovljivu identifikaciju (ID), koja se snima u fabrici i podudara se sa internim kodom eksterne RFID kartice [05]. Pomoću algoritma, komandna oprema [01] snima ovaj ID preko serijskog porta putem Bluethoot sistema, preko opreme RFID čitača (logera) [06] (slika 1) i čuva ga na mikroSD kartici koja pripada komandnoj opremi [01]. Podaci su dostupni za dalju upotrebu u određenim procesima.

[0071] Programabilni neeksplozivni elektronski inicijator [07] ima mikroprocesor IC1 [28] (slika 4), sa internim oscilatorom i stalnom EEPROM memorijom [35] (slika 5).

[0072] Kada je komandna oprema [01] aktivirana i svi uslovi za rad su ispunjeni, aktivira se komunikaciona i strujna linija [02A i 02B], inicirajući modulaciju [03] napona i komunikacioni protokol (slika 2) koji dolazi od komandne opreme [01]. Na početku dvosmerne komunikacije, poslata modulacija [03] napona (slika 2) sastoji se od konstantnog pravougaonog talasa sa definisanom amplitudom između 24V i 35V (slika 2A) i periodom od 4,0 ms. Visoki bit od 4 milisekunde i niski bit od 0,2 milisekunde omogućavaju održavanje konstantnog napona (slika 2A).

[0073] Treba smatrati da je gore pomenuta modulacija [03] napona (slika 2) ona koja omogućava usklađivanje slanja podataka i energije potrebne za naknadnu aktivaciju jednog (ili više) programabilnih neeksplozivnih elektronskih inicijatora [07].

[0074] U komunikacionoj i strujnoj liniji koristi se dvosmerni komunikacioni protokol (slika 2B i 2C) sa brzinom prenosa od 2400 bita u sekundi. [02A i 02B].

[0075] Podaci se šalju brzinom komunikacije ekvivalentnom 2400 boda iz komandne opreme [01] preko komunikacione i strujne linije [02A i 02B] i prima ih programabilni neeksplozivni elektronski inicijator(i) [07] (slika 2C). Podaci se šalju preko komunikacione i strujne linije [02A i 02B] iz programabilnog neeksplozivnog elektronskog inicijatora(a) [07] i prima ih komandna oprema [01] (slika 2B). Slanje podataka iz programabilnog neeksplozivnog elektronskog inicijatora [07] do komandne opreme [01] određeno je bitom od 25 us (mikrosekundi), što je ekvivalentno 40000 boda; prenos podataka (jedan bajt) se izvodi na niskom bitu komunikacione linije.

[0076] Ulaz programabilnog neeksplozivnog elektronskog inicijatora [07] sadrži diodu D1 i ispravljač napona D2 [18] (slika 4), koji su povezani sa komunikacionom i strujnom linijom [02A i 02B]. Dioda D1 suzbija prolazne struje i sprečava curenje struje. Ispravljač napona D2, sa ulazima napona između 24V i 35V, transformiše naizmeničnu struju (AC) u jednosmernu struju (DC) (slika 4).

[0077] Regulator napona IC2 [20] prima napon od 24V do 35V i ispravljenu struju (DC). Ovaj regulator napona IC2 reguliše inicijalni napon na 5V (slika 4).

[0078] Za dvosmernu komunikaciju između komandne opreme [01] i programabilnog neeksplozivnog elektronskog inicijatora [07], dva otpornika R1 i R2 [24] razdelnika napona su povezana na sistemski ulaz programabilnog neeksplozivnog elektronskog inicijatora [07], što snižava napon sa 24V-35V na 5V, prilagođavajući se tako operativnom nivou mikroprocesora IC1 [28]. Pored toga, R1 funkcioniše sa otporom između 90 i 170 kilooma, poželjno 110 kilooma, poželjno 120 kilooma i poželjno 130 kilooma, a R2 funkcioniše sa otporom između 15 kilooma i 25 kilooma, poželjno 110 kilooma, poželjno 120 kilooma i poželjno 130 kilooma. Pravougaoni talas sa podacima se zatim prenosi iz komandne jedinice [01] na ulazni pin INT/IO PORT [41] (slika 7) mikroprocesora IC1 [28] i konvertuje u bajtove pomoću algoritma.

[0079] Kao odgovor, mikroprocesor IC1 [28] preko EUSART bloka za prenos [28E] (slika 4), pin TX [43] (slika 9), prenosi izlazne podatke. Izlazni podaci se ubacuju preko tranzistora T1 i dva otpornika R3 i R4 [23] u komunikacionu i strujnu liniju [02A i 02B]. Podaci odziva se zatim šalju komandnom timu [01] na obradu (slika 2B).

[0080] Dve diode D4 i D5 su povezane na ulaz napona od 5V [19]. U ovoj fazi kola, ulazni napon 5V se smanjuje na 3,6V, koji je neophodan za rad mikroprocesora IC1 [28]. Diode D4 i D5 [19] suzbijaju prolazne struje i sprečavaju curenje struje.

[0081] Kondenzator C4 [19] od 6,3 V, 470 uF, povezan sa diodama D4 i D5 [19] i sa naponskim ulazom mikroprocesora IC1 [28], održava stabilnim ulazni napon od 3,6 V. Kondenzator C4 [19] je rezervoar energije koji se kontinuirano puni. Važno je napomenuti da će ovaj uređaj biti izvor struje za mikroprocesor IC1 [28] i da će ga držati aktivnim do 64000 milisekundi, kada se prekine komunikaciona i strujna linija [02A i 02B]. Vreme pražnjenja ovog kondenzatora mora da bude veće od programiranog vremena kašnjenja; ova tačka je detaljnije obrađena prilikom opisa rada eksternog oscilatora [25] (slika 4) i OSC [36] (slika 6).

[0082] Dva otpornika R6 i R7 [26] dele napon između uzemljenja (GND), filamenta [30] i kondenzatora C7 [08] (slika 3 i 4) od 35V. Filament [30] je volframova spirala dužine u opsegu od 1 do 3 mm, poželjno 2 mm, 2,2 mm, 2,5 mm, prečnika u opsegu od 0,01 mm do 0,1 mm, poželjno 0,01 mm, 0,02 mm, 0,03 mm i sa otporom u opsegu između 2,5 i 4,5 oma, poželjno 3 oma, 3,2 oma, 3,5 oma, 3,6 oma, 3,7 oma, 3,8 oma i 3,9 oma.

[0083] Kao bezbednosna mera, tranzistor T4 [22] (slika 4) povezan sa serijskim otpornikom R12 (ograničavač struje), koji je sam povezan sa uzemljenjem (Vss ili GND), održava napon filamenta [30] i kondenzatora C7 [21] nižim od 1V. Tranzistor T4 [22] se deaktivira izdavanjem komande (komanda 5) za početak procesa punjenja kondenzatora C7 [21], pre paljenja. Kada su svi elementi kola aktivirani, ako se otkrije bilo kakva greška, ovaj tranzistor T4 [22] putem komande (komanda 6) prazni kondenzator C7 [21] u uzemljenje (Vss ili GND), čime smanjujenapon kondenzatora C7 [21] na vrednost nižu od 1V i sprečava filament [30] da dobije potreban napon za paljenje i aktiviranje metalne brzoekspandirajuće smeše.

[0084] Filament [30] je povezan sa kondenzatorom C7 [21] (početno naelektrisanje 0V) i tranzistorom T2 [27]. Kada se aktivira komanda okidača (komanda 7), pin C5 [28B] na I/O PORTU (slika 4) aktivira tranzistor T2 [27] koji prazni kondenzator C7 [21] u filament [30], čime uzrokuje njegovu užarenost.

[0085] Otpornik R9 [21] ograničava ulaznu struju na vrednost u opsegu između 2 i 3 miliampera, što omogućava sporo punjenje kondenzatora C7 [21] i minimalnu potrošnju struje. Dioda D3 [21] sprečava curenje struje iz kondenzatora C7 [21].

[0086] Dobijeni analogni napon između otpornika R6 i R7 [26] (DC) ulazi na ADC/AN pin [28C] (slika 4). Analogne informacije koje prima mikroprocesor IC1 [28] preko ADC/AN pina [42] (slika 8) se konvertuju u digitalne, za očitavanje senzora.

[0087] Raspored elemenata, zajedno sa procesima i komandama koje se aktiviraju pomoću algoritma, omogućava uspostavljanje sistema za testiranje na osnovu vrednosti koje obezbeđuje senzor konfigurisan na ADC/AN pinu [42] (slika 8) koji pripada mikroprocesoru IC1 [28] (slika 4).

[0088] Sistem za testiranje se napaja podacima senzora konfigurisanim na ADC/AN pinu [42] (slika 8). Dobijeni podaci se analiziraju pomoću internog algoritma mikroprocesora IC1 [28].

[0089] Sistem za testiranje performansi se aktivira preko komande 3 (opisane u nastavku teksta) i sastoji se od sledećih testova:

• Provera komunikacije:

∘ Pomoću algoritma, frejm sa podacima se šalje svakom (jedinstvenom) ID i očekuje se odziv. Maksimalno vreme čekanja je 150 milisekundi.

Vreme odziva > 150 milisekundi implicira grešku u komunikaciji.

• Provera filamenta

∘ Pomoću algoritma, izračunavanje napona daje zadati rezultat u apsolutnim jedinicama. Očitavanje sa apsolutnom vrednošću 0 (nula) u senzoru znači da je filament [30] prekinut.

Apsolutna vrednost = 0 znači neupotrebljiv inicijator

Provera inicijalnog statusa kondenzatora C7 [21]:

∘ Pri pokretanju sistema, tranzistor T4 [22] (slika 4) povezan sa otpornikom R12 [22] se aktivira da bi povezao pozitivni izlaz kondenzatora C7 [21] sa uzemljenjem (Vss ili GND) i održava opterećenje kondenzatora na naponu ispod 1V. Provera inicijalnog stanja kondenzatora C7 [21] sastoji se od merenja napona kondenzatora C7 pomoću senzora [28C]. Senzor očitava podatke o naponu sa kondenzatora C7 [21] i čuva ih u 10-bitnoj varijabli u mikroprocesoru IC1 [28] ekvivalentnoj datom broju od 1024 delova. Uzimajući u obzir da je početni napon u opsegu između 24V i 35V, jedan deo je jednak opsegu između 0,023V i 0,034V; tada je opseg između 30 i 43 dela jednak naponu manjem od 1V. Očitavanje nakon ove prekretnice treba da bude manje od 1V. Očitavanje veće od ove vrednosti znači da je neispravan ili kondenzator C7 [21] ili tranzistor T4 [22].

Napon kondenzatora C7 [21] ≥ 1V implicira da je inicijator neupotrebljiv.

Provera inicijalnog statusa napunjenosti kondenzatora C7 [31]:

∘ Tranzistor T4 [22] povezan sa otpornikom R12 [22] je deaktiviran i ostavljen neuzemljen. Tranzistor T3 [29] je aktiviran putem otpornika R5 i R10 [29], čime počinje punjenje kondenzatora C7 [21]. Senzor očitava i čuva podatke o stanju napunjenosti kondenzatora C7 [21] svakih 30 milisekundi tokom 30 sekundi programiranog punjenja. Podaci se čuvaju u 10-bitnoj varijabli u IC1 mikroprocesoru [21], što je ekvivalentno datom broju od 1024 delova. Na kraju perioda punjenja (30 s), očitavanje kondenzatora C7 [21] treba da bude veće ili jednako 800 delova, što ukazuje na dovoljan napon za generisanje neophodne užarenosti u filamentu [30].

Napon kondenzatora C7 [21] < 800 delova implicira da je inicijator neupotrebljiv.

Verifikacija programiranog kašnjenja:

∘ Pomoću algoritma i putem komande (komanda 3), podaci o programiranom kašnjenju se šalju iz komandne jedinice [01] u programabilni neeksplozivni elektronski inicijator [07] i čuvaju se u stalnoj EEPROM memoriji mikroprocesora IC1 [28]. Programabilni neeksplozivni elektronski inicijator [07] koristi algoritam za verifikaciju ekvivalentnosti podataka koje šalje komandna jedinica [01] i podataka koje prima mikroprocesor IC1 [28]. Mikroprocesor IC1 [28] šalje odgovor komandnoj jedinici [01].

Programirano vreme čekanja je 150 milisekundi.

Vreme odziva > 150 milisekundi implicira grešku u komunikaciji.

Ako su podaci odziva u vezi sa kašnjenjem identični podacima koje je poslao komandni tim [01], prima se kod potvrde (ACK).

Ako su podaci odziva u vezi sa kašnjenjem različiti od podataka koje je poslao komandni tim [01], prima se kod greške.

• Provera statusa eksternog oscilatora [25] i promena frekvencije za režim spavanja:

∘ Pri pokretanju sistema, eksterni oscilator [25] se aktivira i očitavaju se impulsi koji se emituju u sekundi. Ovi impulsi moraju da se poklapaju sa frekvencijom od 32 KHz. Nakon što se relevantni podaci zabeleže u stalnoj EEPROM memoriji mikroprocesora IC1 [28], eksterni oscilator [25] se deaktivira.

Snimljeni impulsi eksternog oscilatora [25] = 32000 u sekundi Ako su podaci odziva koji se odnose na impulse različiti od 32000 komandnog tima [01], prima se kod greške.

[0090] Mikroprocesor IC1 [28], koji ima interni oscilator od poželjno 16 MHz [28A] (slika 4) - iako se ne isključuju alternative sa višom frekvencijom - ima potrošnju struje od približno 2 mA (miliampera). Slika 6 je detaljan prikaz dinamike generisane u bloku izvora takta [28A] koji se odnosi na sliku 4.

[0091] Ovaj razvoj uključuje eksterni oscilator Q1 [25] od 32 kHz (slika 4) povezan sa mikroprocesorom IC1 [28], čiji je cilj da se smanji potrošnje energije tako što se sistemska frekvencija smanji sa 16 MHz na 32 kHz.

[0092] Filament [30] (slika 4) je napravljen od spiralne volframove žice dužine u opsegu od 1 do 3 mm, poželjno 2 mm, 2,2 mm, 2,5 mm, prečnika u opsegu od 0, 01 mm i 0,1 mm, poželjno 0,01, 0,02, 0,03 i otpora u opsegu od 2,5 do 4,5 oma, poželjno 3 oma, 3,2 oma, 3,5 oma, 3,6 oma, 3,7 oma, 3,8 oma i 3,9 oma.

[0093] Na slici 3, koja opisuje štampanu ploču (PCB) [10], filament [12] (isti kao filament [30] prikazan na slici 4, šematski prikaz kola) je postavljen na čvrstoj podlozi [11], prekriven brzoekspandirajućom metalnom smešom [13], oboje umetnuti u termoskupljajuću čauru [14]. Upravo termoskupljajuća čaura [14] drži filament [12] vezanim za brzoekspandirajuću metalnu smešu [13]. Termoskupljajuća čaura [14] je obuhvaćena kapsulom [16] koja sama sadrži drugu količinu brzoekspandirajuće metalne smeše [15], zatvorenu čepom [17].

[0094] Eksterni oscilator Q1 [25] niže frekvencije od internog oscilatora mikroprocesora IC1 [28] emituje impulse koje očitava TAJMER1 [37] (slika 6). Broj ovih impulsa, koje broji TAJMER1, se čuva i čini dostupnim za očitavanje pomoću algoritma.

[0095] Korišćenjem algoritma, rad eksternog oscilatora Q1 [25] se automatski omogućava kada interni oscilator mikroprocesora IC1 [28] prestane da radi.

[0096] Kada se interni oscilator mikroprocesora IC1 [28] isključi i eksterni oscilator Q1 [25] počne da radi, TAJMER1 [37] (slika 6) mikroprocesora IC1 [28] može da očita impulse koje on emituje i da koristi algoritam da poveže njihovu ekvivalenciju u vremenu.

[0097] Vreme kašnjenja je definisano na terenu i pre izdavanja komande za paljenje. Definisano vreme kašnjenja je programirano u programabilnom neeksplozivnom elektronskom inicijatoru(ima) [07] putem komandnog seta [01]. Podaci koji se odnose na programirano vreme kašnjenja čuvaju se u stalnoj EEPROM memoriji mikroprocesora IC1 [28] svakog programabilnog neeksplozivnog elektronskog inicijatora [07].

[0098] Vreme kašnjenja svakog programabilnog neeksplozivnog elektronskog inicijatora [07] je ograničeno sa tri karakteristike povezane sa različitim funkcionalnostima.

[0099] Kondenzator C4 [19] (slika 4) igra ulogu eksterne baterije mikroprocesora IC1 [28] nakon prekida linije; autonomija punjenja kondenzatora C4 [19] je odlučujuća za maksimalno vreme rada mikroprocesora IC1 [28] nakon što se aktivira komanda „Paljenje“ (komanda 7) i prekine komunikaciona i strujna linija [02A i 02B].

[0100] Eksterni oscilator Q1 [25] [25] od 32 kHz emituje 32000 impulsa u sekundi, koje broji TAJMER1 [37] (slika 6) mikroprocesora IC1 [28]. Ovi impulsi koriste algoritam za merenje vremena i odbrojavanje do programiranog vremena kašnjenja.

[0101] Mikroprocesor IC1 [28] ima funkciju režima spavanja, koja se aktivira instrukcijom. Prilikom ulaska u režim spavanja, oscilator TAJMER1 mikroprocesora IC1 [37] nije pogođen i periferni uređaji koji rade iz njega mogu da nastave da rade u režimu spavanja (slika 6); postojanje eksternog oscilatora Q1 [25] omogućava da se koristi funkcija „spavanja“ mikroprocesora IC1 [28] i značajno smanjuje njegovu potrošnju energije; treba napomenuti da, iako funkcija spavanja može da se aktivira internim oscilatorom IC1 mikroprocesora [28], njegova potrošnja energije je 600 nA. Pri korišćenju eksternog oscilatora Q1 [25] i aktiviranju funkcije „spavanja“, ova potrošnja je 20nA.

[0102] Usled niske potrošnje energije do koje dolazi aktivacijom eksternog oscilatora Q1 [25], možemo postići stanje spavanja duže od 64000 milisekundi zahvaljujući aktivaciji funkcije „spavanja“ IC1 mikroprocesora [28] i autonomiji kondenzatora C4 [19].

[0103] Sve u svemu, programabilno vreme kašnjenja svakog programabilnog neeksplozivnog elektronskog inicijatora [07] je ograničeno na opseg između 1 i 64000 milisekundi.

[0104] Kada se dostigne programirano vreme kašnjenja (komanda 2), mikroprocesor IC1 [28] se interno prekida, čime se deaktivira režim „spavanja“ i aktiviraju druge funkcije potrebne za finaliziranje paljenja.

[0105] Aktivacija paljenja (komanda 6) dovodi do sledećih radnji:

a) Svi prekidi mikroprocesora IC1 [28] se isključuju kako bi se izbeglo prerano buđenje funkcije spavanja.

b) Opterećenje kondenzatora C7 [21] se isključuje, tako da on održava svoju napunjenost na maksimumu dok je mikroprocesor IC1 [28] u režimu „spavanja“ i TAJMER1 odbrojava.

c) Informacije vezane za vreme kašnjenja sačuvane u stalnoj EEPROM memoriji mikroprocesora IC1 [28] se preuzimaju i programirano vreme kašnjenja se učitava u brojač TAJMERA1 (komanda 2).

d) Funkcija „spavanja“ mikroprocesora IC1 [28] je omogućena i samo TAJMER1 ostaje u radu, kako bi se pokrenulo odbrojavanje vremena kašnjenja.

e) Počinje odbrojavanje vremena kašnjenja.

[0106] Kada vreme kašnjenja istekne, omogućen je rad kondenzatora C7 [21]; u tom trenutku omogućeno je da tranzistor T2 (NPN) [27] i njegov otpornik R8 [27] isprazne svu energiju akumuliranu u kondenzatoru C7 [21] na filament [30] (slika 4).

[0107] Filament [30] tada postaje užaren, generišući temperaturu veću od 1200 °C usled kapaciteta kondenzatora C7 [21] između 24V i 35V i struje od približno 0,250 A, što aktivira brzoekspandirajuću metalnu smešu [13] (slika 3). Ova egzotermna reakcija dostiže temperaturu veću od 1200 °C, što aktivira brzoekspandirajuću metalnu smešu [15].

Procesi

[0108] Programabilni neeksplozivni elektronski inicijator [07] obavlja procese opisane u nastavku teksta:

Proces 1: Ulazni napon (24V do 35V) programabilnog neeksplozivnog elektronskog inicijatora [07] se ispravlja pomoću dva kondenzatora, C1 i C2 [18], diode D1 i mostnog ispravljača D2 [18].

Proces 2: Kondenzator C3 [20] održava stabilan ulazni napon (24V i 35V). Regulator napona IC2 [20] snižava ulazni napon (24V i 35V) na 5V, što je ulazni napon za diode D4 i D5 [19].

Proces 3: Podaci ulaze u programabilni neeksplozivni elektronski inicijator [07] preko otpornika R1 i R2 [24] (slika 04). Ovi otpornici filtriraju (razdvajaju) bajt frejm povezan sa dolaznim podacima i smanjuju njegov ulazni napon (između 24V i 35V) na nivo koji zahteva mikroprocesor IC1 [28] (između 3,3V i 5,0V).

Proces 4: Dve diode D4 i D5 [19] su postavljene na ulaznu liniju napona mikroprocesora IC1 [28]. Ove komponente regulišu napon na napon koji zahteva mikroprocesor IC1 [28] (3,6V) i zaustavljaju curenje struje. Takođe, kondenzator C4 [19] od 470 uF je postavljen na ulaznu liniju napona mikroprocesora IC1 [28], što održava stabilan ulazni napon (3,6V). Kondenzator C4 [19] takođe ispunjava ulogu akumulatora energije.

Proces 5: Mikroprocesor IC1 [28] ima PIN konfigurisan kao senzor. Senzor je povezan sa dva otpornika R6 i R7 [26], koji igraju ulogu razdelnika napona na kondenzator C7 [21], filament [30] i uzemljenje (VSS).

[0109] Senzor [28C] (slika 4) očitava podatke dobijene proverom kontinuiteta filamenta [30] (komanda 3). Očekuje se da vrednost otpora bude između 2,5 i 4,5 oma.

[0110] Koristeći algoritam, senzor mikroprocesora IC1 [28] očitava inicijalno stanje napunjenosti kondenzatora C7 [21]. Očekuje se da prvo uzorkovanje bude manje od 1V (komanda 3).

[0111] Proces 6: Mikroprocesor IC1 [28] deaktivira tranzistor T4 [22], aktivira PIN povezan sa tranzistorom T3 [29] preko otpornika R10 i R5 [29]. Ovo omogućava inicijaciju punjenja kondenzatora C7 [21]. Proces punjenja kondenzatora C7 [21] je programiran na 30 sekundi.

[0112] Proces 7: Senzor mikroprocesora IC1 [28] beleži podatke o naponu punjenja svakih 30 milisekundi tokom 30 sekundi punjenja kondenzatora C7 [28]. Generisani podaci se čuvaju u stalnoj EEPROM memoriji mikroprocesora IC1 [28]. Podaciće biti obrađeni putem komande 3, što je detaljnije navedno u nastavku teksta.

[0113] Proces 8: Kondenzator C7 [21] je povezan sa dovodom ispravljene struje (proces 1). Otpornik R9 [21] i dioda D3 [21] ograničavaju opterećenje sistema. Generiše se sporo punjenje kondenzatora C7 [21] (30 sekundi) i potrošnja struje između 2 i 3 miliampera. Proces 9: Povezani sa mikroprocesorom IC1 [28], eksterni oscilator Q1 [25] i kondenzatori C5 i C6 [25] održavaju stabilnu oscilaciju od 32 kHz.

[0114] Proces 10: Izlazni tranzistor T1 [23] i otpornici R3 i R4 [23] šalju frejm odziva nakon što su komande (navedne u nastavku teksta) obrađene putem dvosmernog komunikacionog protokola (slika 2).

[0115] Proces 11: Mikroprocesor IC1 [28] aktivira tranzistor T2 [27] preko otpornika R8 [27]. Kondenzator C7 [21] se prazni kroz filament [30], dovodeći do toga da se filament [30] užari.

[0116] Proces 12: Užareni filament [30] dostiže temperaturu od preko 1000 °C i aktivira brzoekspandirajuću metalnu smešu [13] (slika 3).

[0117] Proces 13: Egzotermna reakcija aktivacije brzoekspandirajuće metalne smeše [13] omogućava dostizanje temperature od 1200 °C i aktivira brzoekspandirajuću metalnu smešu [15].

Komande

[0118] Komanda 1: Snima ID, RFID identifikacioni kod [05], u stalnoj EEPROM memoriji mikroprocesora IC1 [28], koji jedinstveno identifikuje programabilni neeksplozivni elektronski inicijator [07].

[0119] Komanda 2: Čuva u stalnoj EEPROM memoriji mikroprocesora IC1 [28] programirano vreme kašnjenja, koje varira između 1 milisekunde i 64000 milisekundi.

[0120] Komanda 3: Upit za ID. Dijagnostikuje trenutno funkcionisanje, osim za komandu 7 (požar).

• Dijagnoza 1: Algoritam se koristi da se testira vreme odziva programabilnog neeksplozivnog elektronskog inicijatora [07]. Ako vreme odziva premaši programirano vremensko ograničenje (100 milisekundi), odgovara se kodom greške.

• Dijagnoza 2: Senzor se koristi za proveru da li je napunjenost u kondenzatoru C7 [21] od 470 uF do 2200 uF manja od 1V (Volt). U slučaju greške, odgovara se kodom greške. U slučaju greške, tranzistor T4 [22] se aktivira i usmerava kondenzator C7 [21] na uzemljenje (Vss ili GND).

• Dijagnoza 3: Senzor se koristi za proveru da li filament [30] ima kontinuitet između 2,5 i 4,5 oma. U slučaju greške, on odgovara kodom greške. U slučaju greške, tranzistor T4 [22] se aktivira i usmerava kondenzator C7 [21] na uzemljenje (Vss ili GND).

• Dijagnoza 4: Algoritam se koristi za preuzimanje podataka povezanih sa programiranim kašnjenjem sačuvanih u stalnoj EEPROM memoriji mikroprocesora IC1 [28]. Podaci se proveravaju kako bi se osiguralo da se podudaraju sa podacima o programiranom vremenu kašnjenja koje šalje komandna oprema [01]. U slučaju greške, odgovara se kodom greške.

• Dijagnoza 5: Algoritam se koristi za preuzimanje podataka povezanih sa frekvencijom eksternog oscilatora [25], sačuvanih u stalnoj EEPROM memoriji mikroprocesora IC1 [28] na početku sistema. Ako registar pokaže grešku, tranzistor T4 [22] se aktivira i primorava kondenzator C7 [21] da se isprazni u uzemljenje (Vss ili GND).

[0121] Komanda 4: Omogućava promenu lokacije jednog (ili više) programabilnih neeksplozivnih elektronskih inicijatora [07]. Omogućava da se modifikuje dodeljivanja kašnjenja jednog (ili više) programabilnih neeksplozivnih elektronskih inicijatora [07]. Omogućava ručno reprogramiranje jednog (ili više) programabilnih neeksplozivnih elektronskih inicijatora [07].

[0122] Komanda 5: Priprema pre paljenja. Onemogućava tranzistor T4 [22] da izađe iz uzemljenog stanja. Omogućava da tranzistor T3 [29] da nastavi sa punjenjem kondenzatora C7 [21] tokom perioda od 30 sekundi; očitava i čuva podatke o punjenju kondenzatora C7 [21] svakih 30 milisekundi tokom 30 sekundi punjenja. Sačuvani podaci su dostupni za čitanje u varijabli mikroprocesora IC1 [28]. Onemogućava rad internog oscilatora (16 MHz) mikroprocesora IC1 [28] i omogućava rad eksternog oscilatora [25] (32 KHz).

[0123] U ovom trenutku, korisnik mora da ponovi komandu 3, kako bi ponovo proverio da li je sistem u stanju rada, uključujući promenu statusa kondenzatora C7 [21].

[0124] Komanda 6: Bezbednosna mera u slučaju bilo kakve greške. Ako komanda 5 ne uspe, ona odgovara kodom greške, tranzistor T4 [22] se aktivira, povezujući kondenzator C7 [21] sa uzemljenjem i prazni ga.

[0125] Komanda 7: Paljenje. Onemogućava eksterne prekide mikroprocesora [28]. Onemogućava punjenje kondenzatora C7 [21]. U TAJMER1 se učitavaju podaci koji se odnose na vreme kašnjenja. Aktivira funkciju „spavanja“ mikroprocesora IC1 [21]. Omogućava odbrojavanje dodeljenog vremena kašnjenja programabilnog neeksplozivnog elektronskog inicijatora [07]. Na kraju odbrojavanja dodeljenog programiranom vremenu kašnjenja, aktivira kondenzator C7 [21]. Aktivira I/O izlaz PORT C5 [40] (slika 7) mikroprocesora IC1 [28] i tranzistor T2 [27].

Opis slika

[0126] kako bi slike bile bolje opisane, u nastavku se nalazi spisak svih prikazanih stavki koje su na njima prikazane:

[01] Komandna oprema (konzola ili master)

[02A] Komunikaciona i strujna linija

[02B] Komunikaciona i strujna linija (VSS ili GND)

[03] Modulacija napona

[04] Konektor

[05] Eksterna RFID kartica

[06] Loger, RFID čitač

[07] Programabilni neeksplozivni elektronski inicijator

[08] Kondenzator C7

[09] Štampana ploča PCB

[10] Kartica štampane ploče PCB

[11] Čvrsta podloga filamenta

[12] Filament (slika 4) [30]

[13] Prva metalna smeša

[14] Termoskupljajuća čaura

[15] Druga metalna smeša

[16] Kapsula kontejnera

[17] Čep kapsule kontejnera

[18] D2, C1, C2, D1 blok ispravljača napona

[19] IC1, D4, D5, C4 blok ulaznog napona mikrokontrolera

[20] IC2, C3, blok regulatora napona

[21] C7, D3, R9 blok punjenja i pražnjenja kondenzatora

[22] C7, R11, R12 blok pražnjenja kondenzatora

[23] T1, R3, R4 blok prenosa podataka na komunikacionu liniju

[24] Blok razdelnika napona sa podacima ka bloku 28D (INT), R1, R2

[25] Q1, C5, C6 blok eksternog oscilatora

[26] 28C, R6, R7 blok razdelnika napona do bloka ADC senzora

[27] T2, R8 blok regulatora paljenja

[28] IC1 blok mikrokontrolera

[28A] Izvor takta

[28B] I/O ulazni i izlazni portovi

[28C] Ulaz senzora (ADC analogno-digitalni)

[28D] Prekid pri unosu podataka kroz port

[28E] Izlaz serijskih podataka TX prenosa (UART)

[28F] CPU procesor za funkciju i skladištenje podataka

[29] C7, T3, R10, R5 Blok za aktivaciju opterećenja kondenzatora

[30] Filament (slika 3) [12]

[31] IC1 podnožje za programiranje mikrokontrolera

[32] IC1 fleš memorija za programiranje mikrokontrolera

[33] CPU sa priključenim unutrašnjim perifernim uređajima

[34] Blok povezivanja eksternog oscilatora i generatora vremena sa CPU

[35] Periferna magistrala povezana sa CPU

[36] Izvor takta IC1 mikrokontrolera, OSC (eksterni oscilator)

[37] Izvor impulsa za brojač TAJMER1 iz OSC Q1.

[38] Izlazni I/O port za punjenje kondenzatora C7 (28B slika 4)

[39] Izlazni I/O port za pražnjenje kondenzatora C7 (28B slika 4)

[40] Izlazni I/O port za paljenje, pražnjenje kondenzatora C7 na filament [30] (28B slika 4)

[41] Ulazni I/O port preko prekida (INT), za obradu podataka (28D slika 4)

[42] Ulaz u ADC modul, za senzor napona. (28C slika 4)

[43] Izlaz serijskog prenosa PIN TX (UART) (28E slika 4)

Slika 1:

Ova slika prikazuje dva dijagrama, A i B, gde levi dijagram ili slika 1A prikazuje raspored elemenata predmetnog sistema koji koristi jednu paralelnu komunikacionu i energetsku liniju [02A i 02B] za jedan programabilni neeksplozivni elektronski inicijator [07] i RFID čitač koji očitava jedinstveni identifikacioni kod ID programabilnog neeksplozivnog elektronskog inicijatora [07]. Dijagram B, ili slika B, prikazuje predmetni sistem koji koristi jednu paralelnu komunikacionu i energetsku liniju [02A i 02B] za četiri ili više programabilnih neeksplozivnih elektronskih inicijatora [07].

Slika 2:

Ova slika prikazuje tri dijagrama A, B i C, koji predstavljaju naponske talase, gde slika 2A, gore, prikazuje početak dvosmerne komunikacije, gde se modulacija [03] napona sastoji od konstantnog pravougaonog talasa sa definisanom amplitudom između 24V i 35V i periodom od 4,0 ms. Visoki bit od 4 milisekunde i niski bit od 0,2 milisekunde omogućavaju održavanje konstantnog napona. Slike 2B i 2C prikazuju dijagrame koji prikazuju detalje dvosmernog komunikacionog protokola sa brzinom prenosa od 2400 bita u sekundi koji se koristi u komunikacionim i energetskim linijama. [02A i 02B].

Slika 3:

Ova slika prikazuje tri dijagrama: A, B i C, gde prva dva prikazuju šematski opis štampane ploče (PCB). Dijagram C prikazuje detalj interakcije između filamenta [12] presvučenog brzoekspandirajućom metalnom smešom [13], umetnutog u termoskupljajuću čauru [14], gde termoskupljajuća čaura [14] drži filament [12] zajedno sa brzoekspandirajućom metalnom smešom [13], i gde je termoskupljajuća čaura [14] smeštena u kontejner [16] kapsule koja sadrži drugu količinu brzoekspandirajuće metalne smeše [15].

Slika 4: Ova slika prikazuje šemu kola programabilnog neeksplozivnog elektronskog inicijatora [07].

Slika 5:

Ova slika prikazuje specifikaciju CPU programiranja i povratne sprege [28F] koji su opisani u šemi kola programabilnog neeksplozivnog elektronskog inicijatora [07].

Slika 6:

Ova slika je detaljan prikaz dinamike generisane u bloku [28A] izvora takta.

Slika 7:

Ova slika prikazuje dijagram koji objašnjava kako se pravougaoni talas sa podacima prenosi iz komandne jedinice [01] na INT/IO PORT ulazni pin [41] i IO izlazne portove [28B] (za punjenje kondenzatora C7 [38], za pražnjenje kondenzatora C7 [39], za paljenje i pražnjenje kondenzatora C7 u filamentu [30] [40]) (slika 4) mikroprocesora IC1 [28], pretvarajući ga u bajtove pomoću algoritma. Sa druge strane, slika 7 se odnosi na PIN C0, C3, C5 mikrokontrolera IC1 na slici 4.

Slika 8:

Ova slika prikazuje dijagram analognih informacija koje prima mikroprocesor IC1 [28] preko ADC/AN pina [42] (slika 4) [28C] gde se pretvaraju u digitalne za očitavanje senzora.

Slika 9:

Ova slika prikazuje dijagram koji objašnjava kako mikroprocesor IC1 [28], preko TX pina [43] USART prenosnog bloka (slika 4) [28E], prenosi izlazne podatke, gde se izlazni podaci ubacuju preko tranzistora T1 i dva otpornika R3 i R4 [23] u komunikacionu i energetsku liniju [02A i 02B].

Primer primene

[0127] Da bi se izračunala temperatura paljenja primarne metalne smeše, korišćena je sledeća smeša Al Fe2O3 NaNO3 (aluminijum gvožđe oksid natrijum nitrat), koristeći sledeće jednačine:

Otpornost metala (r) raste sa temperaturom; ovaj odnos je određen sledećom jednačinom:

Gde je:

ρ(T) = Otporost metala kao funkcija promene temperature.

ρo= Inicijalna otpornost metala.

α = Temperaturni koeficijent po stepenu Celzijusa metala.

ΔT = Razlika emperature (Tfinalna- Tinicijalna).

[0128] Sa svoje strane, otpornost metala je direktno proporcionalna otporu metala, a odnos između njih je dat jednačinom:

Gde je:

R = Otpor metala

ρ = Otpornost metala

L = Dužina metalne žice

A = Površina žice

[0129] Ako se zna da je vrednost temperature sredine To = 20°C i Ro na toj temperaturi jednaka 10,5 Ω, temperaturni koeficijent (α) volframa je α=0,0045. Ako se izvede eksperimentalno izračunavanje RF otpora volframa, dobija se, prilikom primene napona od V=24 V (volti), 20V izračunato iz pada napona i električne struje I=0,100 A (ampera) i zamenom otpornosti (ρ) iz jedančine br.2 u jednačinu br.1.

[0130] Množenje oba člana sa L / A

Gde je:

R(T) = Otpor metala na varijacije temperature.

Ro= Otpor metala na To

α = Temperaturni koeficijent po Celzijusovom stepenu za metal.

TF= Varijacija temperature u odnosu na inicijalnu temperaturu

To= Inicijalna temperatura metala

[0131] Određivanje promenljive TFiz jednačine br.3:

[0132] Eksperimentalno izračunavanje sa pražnjenjem kondenzatora C7 daje finalni otpor po razlici temperature od 90 oma, i ove vrednosti se ubacuju u jednačinu br.4:

[0133] Na osnovu dobijenih rezultata, zaključuje se da je na temperaturi okoline od 20°C, temperatura filamenta za paljenje prve brzoekspandirajuće metalne smeše [13] približno 1702°C.

[0134] Uzimajući u obzir da je tačka topljenja volframa 3422°C, zaključuje se da se filament neće prekinuti pre aktiviranja prve brzoekspandirajuće metalne smeše [13].

[0135] Pošto usijanje filamenta ima vremensko ograničenje [30], u okruženju izloženom kiseoniku (bez vakuuma) njegovo trošenje je neizbežno. Kada se aktivira pražnjenje kondenzatora C7 [31a], minimalni prosečni period užarenosti filamenta [30] je veći od 100 milisekundi, što je dovoljno vremena da užarenost filamenta [30] aktivira prvu brzoekspandirajuću metalnu smešu. [13].

Claims (12)

Patentni zahtevi

1. - Programabilni neeksplozivni elektronski inicijator (07) za brzoekspandirajuću metalnu smešu i/ili plazmu, NAZNAČEN TIME ŠTO sadrži kapsulu, koja sadrži pričvršćenu prvu brzoekspandirajuću metalnu smešu (13) i drugu brzoekspandirajuću metalnu smešu (15) sa temperaturama aktivacije iznad 1000°C; pri čemu kapsula odgovara cevi ili čauri (16) kontejnera koja je zatvorena zaptivnim čepom (17); koji prima komunikacioni protokol zasnovan na modulaciji (03) napona, pomoću komunikacione i strujne linije (02a, 02b), koristeći dvosmerni serijski algoritam od eksterne komandne opreme (01); kondenzator (C7, 8, 21), sa zahtevom za napon ispod 35V koji pomoću kontrolisanog pražnjenja na filamentu (12, 30) uzrokuje užarenost filamenta, pri čemu je ovaj filament (12, 30) postavljen na čvrstoj podlozi (11) prekrivenoj prvom brzoekspandirajućom metalnom smešom (13) koja se aktivira iznad 1000°C, pri čemu su oba uvučena u termoskupljajuću čauru (14) koja ih drži zajedno, pri čemu se termoskupljajuća čaura (14), koja ih drži zajedno, gde se termoskupljajuća čaura nalazi unutar kontejnera (16) kapsule koji, sa svoje strane, sadrži drugu brzoekspandirajuću metalnu smešu (15) koja se aktivira iznad 1200°C; PCB štampana ploča (10) sa PCB štampanim kolom (9) koja kontroliše pražnjenje, njegovo kašnjenje između 1 ms i 64000 ms i njegovo testiranje da bi kolo moglo da se proveri pre paljenja.

2. - Elektronski inicijator prema patentnom zahtevu 1, NAZNAČEN TIME ŠTO PCB štampana ploča (9) sadrži mikroprocesor (IC1, 28), sa jedinstvenim i neponovljivim identifikacionim kodom (ID), koji prima dvosmernu komunikaciju koja dolazi od eksterne komandne opreme (01) i obrađuje različite komande za aktiviranje programabilnog neeksplozivnog elektronskog inicijatora (07), pri čemu mikroprocesor (IC1, 28) dodatno sadrži stalnu EEPROM memoriju, koja čuva jedinstveni i neponovljivi identifikacioni kod (ID), parametre kašnjenja i interni oscilator, gde PIN mikroprocesora (IC1, 28) radi kao ulaz za obradu signala koji funkcioniše kao senzor inicijalne i finalne napunjenosti kondenzatora (C7, 8, 21) i detekcija kontinuiteta filamenta (30), fleš mikrokontroler, programsku jedinicu (28F) RAM memorije (44) koja pripada mikroprocesoru (IC1, 28); kondenzator (C4, 19) koji održava stabilnost i autonomiju ulaznog napona mikroprocesora nakon prijema komande za pokretanje; eksterni oscilator Q1 (25) povezan sa mikroprocesorom niže frekvencije oscilacija od internog oscilatora ovog drugog radi isporuke impulsa TAJMERU (28A) mikroprocesora (IC1, 28).

3. - Elektronski inicijator, prema patentnom zahtevu 2, NAZNAČEN TIME ŠTO I/O PORT PIN (C0) u mikroprocesoru (IC1, 28) koji je povezan sa dva otpornika (R5, R10), aktivira tranzistor (T3) koji proizvodi naelektrisanje kondenzatora (C7, 8, 21).

4. - Elektronski inicijator, prema patentnom zahtevu 2, NAZNAČEN TIME ŠTO kondenzator (C4, 19) ima visoku kapacitivnost sa opsezima iznad 300 µF, poželjno 470 µF tantala, koji održava stabilnost ulaznog napona mikroprocesora (IC1, 28), kao i rezervoar energije kako bi bilo omogućeno da mikroprocesor ostane autonoman tokom programiranog perioda kašnjenja nakon što je okidač aktiviran i komunikaciona i strujna linija (02A, 02B) prekinute.

5. - Elektronski inicijator, prema patentnom zahtevu 2, NAZNAČEN TIME ŠTO eksterni oscilator (Q1, 25) ima frekvenciju od 32000 herca, što je frekvencija niža nego kod internog oscilatora mikroprocesora (IC1, 28), povezanog sa mikroprocesorom (IC1, 28), gde komanda deaktivira interni oscilator mikroprocesora (IC1, 28) i aktivira niskofrekventni eksterni oscilator (Q1, 25), pri čemu aktivacija eksternog oscilatora (Q1, 25) smanjuje frekvenciju i potrošnju struje mikroprocesora (IC1, 28) za 250 do 500 puta, pri čemu eksterni oscilator (Q1, 25) u kombinaciji sa aktivacijom funkcije „spavanja“ mikroprocesora (IC1, 28) smanjuje potrošnju struje sa mA na nA, čime se postiže maksimalno programabilno vreme kašnjenja od 64000 milisekundi.

6. - Elektronski inicijator, prema patentnom zahtevu 5, NAZNAČEN TIME ŠTO je eksterni oscilator (Q1, 25) sredstvo koje emituje impulse za TAJMER1 da bi brojao navedene impulse i odredio vreme, ove informacije se čuvaju i dostupne su za očitavanje pomoću softvera, gde su 32 impulsa koje emituje eksterni oscilator (Q1, 25) i koje očita TAJMER1 ekvivalentna 1 milisekundi.

7. - Elektronski inicijator, prema patentnim zahtevima 2, 5 i 6, NAZNAČEN TIME ŠTO usled niske potrošnje energije postignute aktivacijom eksternog oscilatora (Q1, 25), aktivacija funkcije „spavanja“ mikroprocesora (IC1, 28) i autonomija kondenzatora (C4, 19) postižu stanje spavanja duže od 64000 milisekundi, pri čemu je vreme kašnjenja programabilno sa svakog programabilnog neeksplozivnog elektronskog inicijatora (07) i ograničeno na opseg između 1 i 64000 milisekundi.

8. - Elektronski inicijator, prema patentnom zahtevu 1, NAZNAČEN TIME ŠTO filament (30) sadrži spiralni oblik, čije usijanje može da dostigne visoku temperaturu koja aktivira prvu brzoekspandirajuću metalnu smešu (13) koja adherira uz njega, putem potpunog pražnjenja kondenzatora (C7, 21).

9. - Elektronski inicijator, prema patentnom zahtevu 1, NAZNAČEN TIME ŠTO programabilni neeksplozivni elektronski inicijator (07), [07], komunikaciona i strujna linija (02a, 02b) i komandna oprema (01), komuniciraju putem frejma pravougaonih talasa, održavajući programabilni neeksplozivni elektronski inicijator(e) (07) sinhronizovanim u vremenu.

10. - Elektronski inicijator, prema patentnom zahtevu 2, NAZNAČEN TIME ŠTO kondenzator (C7, 21) od 35V i sa otpornikom (R9, 21) povezanim serijski sa navedenim kondenzatorom (C7, 21), omogućava sporo punjenje kondenzatora (C7, 21), što podrazumeva nezavisnu nisku potrošnju struje od strane svakog programabilnog neeksplozivnog elektronskog inicijatora (07).

11. - Elektronski inicijator, prema patentnom zahtevu 1, NAZNAČEN TIME ŠTO je broj jedinica paralelno povezanih sa programabilnim neeksplozivnim elektronskim inicijatorom (07) ograničen na potrošnju struje svakog programabilnog neeksplozivnog elektronskog inicijatora (07) pomnoženu sa brojem programabilnih neeksplozivnih elektronskih inicijatora (07) povezanih sa komunikacionom i strujnom linijom (02A, 02B), gde ova vrednost nije veća od strujnog kapaciteta koji isporučuje komandna oprema (01), pri čemu je maksimalan broj paralelno povezanih jedinica direktno proporcionalan potrošnji svakog programabilnog neeksplozivnog elektronskog inicijatora (07) u opsegu od 10 do 30 miliampera po jedinici, gde je za aktivaciju maksimalnog broja programabilnih neeksplozivnih elektronskih inicijatora (07), povezanih paralelno, potrebno između 24V i 35V.

12. - Proces testiranja i egzotermne reakcije programabilnog neeksplozivnog elektronskog inicijatora (07), kako je opisan u patentnom zahtevu 1, NAZNAČEN TIME ŠTO obuhvata sledeće korake:

i) proveru greški u komunikaciji između komandne opreme (01) i programabilnog(ih) elektronskog(ih) neeksplozivnog(ih) inicijatora(a) (07);

ii) proveru inicijalnog punjenja kondenzatora (C7, 8, 21), gde se proverava finalno punjenje kondenzatora (C7, 8, 21), i u slučaju greške, tranzistor (T4, 22) se aktivira i kondenzator (C7, 21) se usmerava na uzemljenje (Vss, GND);

iii) proveru kontinuiteta filamenta (30), gde se, u slučaju greške, tranzistor (T4, 22) aktivira i pražnjenje usmerava na uzemljenje (Vss, GND) kondenzatora (C7, 21); iv) proveru vrednosti vremena kašnjenja programiranu u EEPROM memoriji mikroprocesora (IC1, 28);

v) kada su proverene faze i, ii, iii i iv, komanda (6) inicira sledeće:

vi) svi prekidi mikroprocesora (IC1, 28) se isključuju kako bi se izbeglo prerano buđenje funkcije spavanja;

vii) opterećenje kondenzatora (C7, 21) se isključuje, tako da on održava svoju napunjenost na maksimumu dok je mikroprocesor (IC1, 28) u režimu „spavanja“ i TAJMER1 odbrojava;

viii) informacije vezane za vreme kašnjenja sačuvane u stalnoj EEPROM memoriji mikroprocesora (IC1, 28) se preuzimaju i programirano vreme kašnjenja se učitava u brojač TAJMERA1 (komanda 2);

ix) Funkcija „spavanja“ mikroprocesora (IC1, 28) je omogućena i samo TAJMER1 ostaje u radu da bi se pokrenulo odbrojavanje vremena kašnjenja;

x) počinje odbrojavanje vremena kašnjenja;

xi) kada odbrojavanje dostigne 0, IO PORT (C5) se podiže, aktivirajući preko otpornika (R8) tranzistora (T2), koji, putem uskladištene energije kondenzatora (C7), ispušta svu svoju energiju u uzemljenje prolazeći kroz filament (30) izazivajući njegovu užarenost; xii) aktivacija prve brzoekspandirajuće metalne smeše (13) preko filamenta koga ona komprimuje posredstvom njeme komprimuje pomoću termoskupljajuće čaure (14), sa porastom temperature dovoljnim da aktivira drugu brzoekspandirajuću metalnu smešu (15); i egzotermna reakcija između programabilnog neeksplozivnog elektronskog inicijatora (07) i brzoekspandirajuće metalne smeše i/ili plazme.