爆炸物的引爆 |
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| 申请号 | CN201180067237.6 | 申请日 | 2011-12-09 | 公开(公告)号 | CN103380349A | 公开(公告)日 | 2013-10-30 |
| 申请人 | 艾伊尔矿业服务有限公司; | 发明人 | 埃尔马·穆勒; 彼得·斯特凡努斯·雅各布斯·哈利迪; 克利福德·戈登·摩根; 保罗·达斯托尔; 瓦尔威克·贝尔彻; 周晓静; 格伦·布赖恩特; | ||||
| 摘要 | 提供一种用于引爆爆炸性药剂的爆炸物引信系统，引信系统被布置为在使用时与所述爆炸性药剂成引爆关系。在接受具有引爆启动特性的引爆启动 信号 时，系统能够启动、从而引爆爆炸性药剂。系统包括：启动装置，接受引爆启动信号且启动、从而引爆爆炸性药剂，所述启动装置最初处于其不能接受引爆启动信号的非引爆启动状态。此外系统包括基于 射频识别 （RFID）的切换装置，用于检测发送给引信系统的无线电切换信号的切换特性，且能够在检测到引爆启动特性时将启动装置切换为待命状态，在待命状态中，启动装置能够在引爆启动信号发送给它时操作性地接受该引爆启动信号。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于引爆爆炸性药剂的爆炸物引信系统，所述引信系统在使用时被布置为与所述爆炸性药剂成引爆关系，并且在对于具有引爆启动特性的引爆启动信号操作性地接受时，所述引信系统能够启动、从而引爆所述爆炸性药剂，所述引信系统包括： |
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| 说明书全文 | 爆炸物的引爆技术领域[0001] 本发明涉及爆炸物的引爆（detonation）。更具体而言，本发明涉及用于引爆爆炸物的引信（detonator）系统，爆炸物引信系统被布置为与爆炸物成引爆关系。因此，本发明提供一种用于引爆爆炸性药剂的引信系统，其在使用时被布置为与爆炸性药剂成引爆关系。此外，本发明提供一种操作引信系统的方法。 背景技术[0002] 炸药的引爆一般通过引信实现，该炸药以与引信成引爆关系而被提供。这些炸药通常包括所谓的“主”或“次”爆炸物。 [0003] 具体而言，在采矿工业以及在依赖爆炸物的使用的很多其他工业（例如爆破工业）中，爆炸物引爆的精确控制非常重要，其原因包括爆炸操作的安全和精确。 [0004] 一般而言，可以区分两种类型的引信，即电子引信和烟火引信。 [0005] 电子引信一般通过在爆炸物附近产生电压火花或等离子体来实现爆炸物的引爆，在引爆关系中与爆炸物一起布置电子引信。这种电压火花或等离子体通过两个导电电极之间设置的电阻元件或桥的击穿来产生。电阻桥以及电极一般统称为“引信头”，引信头容纳在引信外壳中。等离子体产生冲击波，冲击波被发送给最近的爆炸物并启动爆炸物。 [0006] 这种电子引信一般提供对引爆的精确控制，特别是关于其定时和延迟特性。但是，电子引信制造费用高且难以使用，需要独立电源或外部电源以及复杂的电子传输线连接来实现对引信的电力传输以及允许其远程触发。以申请人的经验，例如由于采矿/爆破点的射频（rf）干扰提供的错误激励，使得这种引信连接容易出现故障，甚至可能导致引信的过早启动，从而导致爆炸物的过早启动。 [0007] 与通过电子延迟系统操作的电子引信不同，烟火引信采用位于引信外壳内的一组爆炸性药剂，在要求的定时和延迟向主爆炸性药剂提供期望的引爆信号。这组爆炸性药剂一般包括（i）启动和密封药剂，又称为起爆药剂，（ii）定时药剂，（iii）主药剂以及，可选择的（iv）基本药剂。启动药剂用于响应于向其发送的冲击信号启动爆炸物序列，并充当提供密封的密封药剂，防止引信外壳内的回爆（blow-back）。此外启动药剂启动定时药剂，定时药剂为引爆提供期望的燃烧延迟。定时药剂进而启动主药剂，主药剂或者向主爆炸性药剂直接提供引爆启动信号，或者启动基本药剂，基本药剂进而向主爆炸性药剂提供期望的引爆启动信号。 [0008] 如上所述，烟火引信的启动药剂的启动一般通过向引信提供冲击信号来实现，通常由一个或多个冲击管（shock tube）提供，冲击管处于与引信的启动关系中。然后启动药剂通常包括灵敏爆炸物，通过足够量级的冲击波可以实现灵敏爆炸物的启动。在引信的启动中冲击管公知且常用；它包括与启动爆炸物或核心爆炸物层对准的中空塑料管，启动爆炸物或核心爆炸物层通常包括HMX与铝金属粉末的混合物。在启动（核心）爆炸物点燃时，小爆炸以前进的温度/压力波前的形式沿着管子传播，速度通常大约是7000ft/s（大约2000m/s）。在到达引信时，压力/温度波触发或点燃引信中的启动/密封药剂，导致上述点燃序列，并因此最终导致主爆炸性药剂的引爆。虽然冲击管经济可行且容易使用，但是由于是由引信爆炸性药剂的装填量而不是由电子元件来提供定时和延迟特征，因此现有的基于烟火的引信系统根本不能实现与使用电子引信相同程度的、对引爆定时和延迟的控制。 [0009] 因此本发明广泛寻求提供操作爆炸物引信的方法，处理并至少部分地缓解与爆炸物引信的烟火启动和电子启动两者相关联的缺点。 发明内容[0010] 根据本发明的第一方面，提供一种用于引爆爆炸性药剂的爆炸物引信系统，引信系统在使用时被布置为与爆炸性药剂成引爆关系，并且在对于具有引爆启动特性的引爆启动信号操作性地接受时，引信系统能够启动、从而引爆所述爆炸性药剂，引信系统包括： [0011] 启动装置，该启动装置能够接受引爆启动信号且能够启动、从而引爆爆炸性药剂，启动装置处于其不能操作性地接受引爆启动信号的非引爆启动状态，并因此在引爆启动信号发送给它时呈现引信启动状态；以及 [0012] 基于射频识别（RFID）的切换装置，该切换装置能够检测发送给引信系统的无线电切换信号的切换特性，且能够在检测到引爆启动特性时将启动装置切换为待命状态，在待命状态中，所述启动装置能够在引爆启动信号发送给它时操作性地接受该引爆启动信号。 [0013] 具体而言，启动装置可包括电子引爆电路。引爆电路可包括主导电路径，主导电路径具有至少两个分开的导电电极，在电极之间设置有电阻桥。电极可连接到电压源，电压源在启动装置处于待命状态时，能够在电极之间产生作为引爆启动特性的引爆启动电压差。该电压差必须超过电阻桥的击穿电压，从而在引爆启动状态下使用时，导致电阻桥产生能够启动和引爆爆炸性药剂的电压火花或等离子体。 [0014] 主导电路径在非引爆启动状态下可断开，且在接受切换信号时可通过基于RFID的切换装置闭合，启动装置从而呈现待命状态。 [0015] 基于RFID的切换装置可包括可编程的RFID芯片以及用于RFID芯片的天线，RFID芯片被编程为开关。优选地，天线与引爆电路操作性地集成。由于操作性集成，所以意味着天线不是独立于提供引爆电路的电路而存在，而是构成它的一部分。 [0016] 集成天线可提供引爆电路的次导电路径，在非引信启动状态下次导电路径闭合。 [0017] 在本发明的特定实施例中，基于RFID的切换装置可包括RFID标签，RFID标签选自主动RFID标签和被动RFID标签。当RFID标签是被动RFID标签时，天线并且因此引爆电路的次导电路径包括成形（例如线圈形）的导电元件，当它遇到发送给RFID标签的无线电波时，能够在天线中产生磁场，然后磁场形成暂时电源，RFID芯片可通过该暂时电源汲取电力，用于其操作。 [0018] RFID标签可通过与引信相关的识别信息、制造信息和操作信息的至少其中之一编程。 [0019] 具体而言，无线电切换信号的切换特性可以是这种信号的预定无线电频率。 [0020] 优选地，引爆电路可以是集成电路。因此，在本发明的一个实施例中，该电路可以被蚀刻为启动装置的衬底。但是优选地，集成电路是印刷集成电路，其通过喷墨、凹版印刷、丝网印刷、平版印刷、苯胺印刷和其他卷到卷方法印刷在衬底上。通常，衬底可以是柔性的，并且可包括PET、PEN、PI或涂层纸。应当理解，在这样的实施例中，优选印刷每个电极以及引爆电路（即导电路径）。 [0021] 在本发明的一个实施例中，电压源可以是与主导电路径集成的集成电压源。 [0022] 电压源可包括或包含可充电组件或者可再充电组件，其为了其本身或者为了电压源，在暴露于充电信号的充电特性时是可充电的或者可再充电的，而在启动装置处于待命状态时是可放电的。具体而言，充电信号可以是通过其中包含的爆炸性物质的渐进引爆、而由冲击管发送的冲击信号的信号成分，因此将该冲击管布置为与引信系统成充电关系，例如，位置最接近系统，更具体地，最接近启动装置。具体而言，由冲击管发送的冲击信号可具有充电特性成分，包括光脉冲、压力波、包括化学组成成分的产物波以及温度波。可充电或可再充电组件随后可能对光脉冲、压力波、产物波以及化学组成成分的任何一个或多个敏感。因此系统可包括与启动装置成冲击信号传输关系而布置的冲击管。 [0023] 因此，设想电压源可包括可充电组件，其在暴露于通过冲击管的冲击信号发送的充电信号的充电特性下是可充电的。当启动装置处于待命状态时，已经通过充电特性充电的电压源随后可以是可放电的。具体而言，充电特性可以是通过冲击管发送的冲击信号的光脉冲，冲击信号因此是充电信号。冲击管可包括提供光脉冲的全部或一部分的光致发光化学物。光致发光化学物通常可以是荧光或磷光化学物，或者可以是发光化学物的前驱物，在这种情况下它能够在爆炸物状态下转变为光致发光化学物。在本发明的一个实施例中，光致发光化学物可以是无机的并包括稀土金属盐或者两种或更多种这些盐的组合。通常，这些盐可选自氧化物盐、硝酸盐、高氯酸盐、过硫酸盐和它们的组合。或者，光致发光化学物当然可以是这些盐的前驱物或另一种发光氧化物。 [0024] 在本发明的一个实施例中，集成电压源可以是诸如电池或电化学电池这样的集成可充电或可再充电电压源。电池尤其可以是印刷电池或薄膜电池，包括已经印刷或放置在形成引信系统一部分的衬底上的有机组件，引信系统通常还承载启动装置和引爆电路。优选地，在暴露于光线时电池是可充电或可再充电的，即光敏的，特别是对于切换的光脉冲。因此，电池可包括或者操作性地关联于或者包含充电组件，例如光敏电池，例如有机光电电池，或者诸如晶体管的其他感光组件，在暴露于切换的光脉冲时能够将可充电电压源充电。 [0025] 或者，集成电压源可以是被动电压源，例如电容器。然后电容器可以被提供有充电组件或者操作性地关联于充电组件，充电组件能够刺激电容器中电荷的累积，在放电时，电荷足以产生电阻桥两端的引爆启动电压。具体而言，充电组件然后还可包括有机光电电池，或者诸如晶体管的其他感光组件，其能够在暴露于切换的光脉冲时将可充电电压源充电。 [0026] 应当理解，电压源因此通常包括可充电电压源，其通过与其操作性地相关联的充电组件被充电。但是应当理解，电压源也可以是能够响应于充电信号/特性将自身充电的组件，并且能够自身将引爆启动电压施加在电阻桥两端。 [0027] 因此，在使用时，一旦RFID组件将启动装置从非引爆启动状态切换为待命状态，在充电组件或者电压源本身暴露于充电特性时，在电压源中增加的电能被释放，通过该释放，因此产生要在电阻桥两端产生的电压。应当理解，通过充电电压源的放电，启动装置因此改变为切换到引爆启动状态。 [0028] 根据本发明的第二方面，提供一种爆炸物操作引信系统的方法，该引信系统包括处于非引爆启动状态的启动装置，在非引爆启动状态下，引信系统不能操作性地接受引爆启动信号，但是在通过操作性接受引爆启动信号所导致的引爆启动状态下，引信系统能导致爆炸性药剂的启动，该引信系统在使用时被布置为与爆炸性药剂成引爆关系，操作引信系统的该方法包括： [0029] 在启动装置处于非引爆启动状态下时，向引信系统的基于RFID的切换装置发送具有切换特性的无线电切换信号；以及 [0030] 在接收切换信号时，通过基于RFID的切换装置将启动装置切换为待命状态，从而使得引信系统对于引爆启动信号的操作性接受（operativeacceptance）敏感，因此对于切换为引爆启动状态敏感。 [0031] 启动装置尤其包括电子引爆电路，电子引爆电路包括主导电路径，主导电路径具有至少两个分开的导电电极，在电极之间设置有电阻桥。电极可连接到电压源，电压源在启动装置处于待命状态时，能够在电极之间产生作为引爆启动特性的引爆启动电压差。电压差必须超过电阻桥的击穿电压，因此在使用时导致电阻桥产生能够启动和引爆爆炸性药剂的电压火花或等离子体。 [0032] 电子引爆电路在非引爆启动状态下可断开，在这种情况下启动装置切换为待命状态包括闭合主引爆电路。应当理解，在非引爆启动状态下断开时，对于电阻桥两端引爆启动电压差的产生而言，主导电路径是非导电的。 [0033] 无线电切换信号的切换特性尤其是预定射频频率。 [0034] 在使用时，根据本发明的引信系统和方法，启动装置因此不能引爆爆炸性药剂，即使电压源活跃。通过这种方式，期望提高引信系统的操作安全，因为引爆不能发生，直到启动装置被切换为待命状态。因此，只有在待命状态下才能导致引爆发生。 [0035] 此外应当理解，在这里已经宽泛描述的本发明的一个可能构造中，在实现引爆启动状态时可采用切换装置，特别是在电压源活跃而启动装置处于非引爆启动状态时。更具体而言，切换信号向启动装置的传递随后会导致启动装置呈现待命状态，因为电压源的活动，这样会几乎立即导致呈现引爆启动状态。附图说明 [0036] 下面参照附图，仅通过说明性示例描述本发明。 [0037] 在附图中， [0038] 图1概念性地示出非引爆启动状态下根据本发明的引信系统；以及 [0039] 图2概念性地示出待命状态下图1的引信系统。 具体实施方式[0040] 应当理解，参照优先权申请号ZA2010/08926的说明书，本发明所述的非引爆启动状态对应于其中所述非活跃状态，而本发明所述待命状态对应于其中所述活跃状态。类似地，其中所述引信对应于本发明所述启动装置，其中所述引信头（fuse head）理解为亦如下所述的启动装置的组成部件。此外，ZA2010/08926说明书中所述导电“环路”对应于本发明所述导电路径。 [0041] 下面参照附图，附图标记10一般表示根据本发明的引信系统。 [0042] 系统10包括由电路15组成的启动装置11，电路15构成启动装置11的引爆电路的一部分。应当理解，启动装置11实质上通过它如下所述的功能提供电子引信。 [0043] 引信电路15包括第一或主导电路径或环路15.1和次导电路径或环路15.2。在主导电路径15.1中，提供电压源12和引信头14。引信头14包括两个分开的导电电极（未示出）以及跨越电极的电阻桥（未示出）。电压源12能够产生大于电极之间电阻桥的击穿电压的电压差，因此在使用时通过电阻元件产生电压火花或等离子体，这种火花或等离子体提供导致启动的冲击波，并且因此提供爆炸物的引爆，其中将引爆系统10布置为与爆炸物成引爆关系。应当理解，通过电压源12产生的电压差构成引爆启动电压差。 [0044] 具体而言，引爆电路15以及引信头14并且因此其电极和电阻桥可以是印刷在衬底上的印刷电路。印刷可通过喷墨、凹版印刷、丝网印刷、平版印刷、苯胺印刷和其他卷到卷方法的任何一种或多种来实现。具体而言，电极以及电阻桥可通过合适的聚合体或导电墨水或者基于金、铜、银、碳、不锈钢或铝的金属浆来印刷。当浆是碳基时，碳可以具体地采用碳纳米管的形式。从电阻桥输出的能量可通过增加以合适的化学物（氧化剂、燃料和或爆炸物）印刷的层来增强。衬底可以是PET、PEN、PI或涂层。 [0045] 次导电路径15.2包括RFID标签16。RFID标签16独立于电压源12操作，因为至少不在图1所示非引爆启动状态下，它（优选地，至少）不从电压源12汲取电功率。 [0046] 具体而言，标签16包括RFID芯片18以及用于芯片18的天线20。天线20由次导电路径15.2提供。因此应当理解，RFID标签的天线与启动装置的引爆电路15集成在一起。 [0047] RFID标签16提供触发开关22，触发开关22通常包括RFID芯片18的合适编程。开关22能够将引爆电路15从次导电路径15.2闭合的状态切换为主导电路径15.1闭合的状态。因此，RFID组件能够将启动装置从图1所示的非引爆启动状态切换为图2所示的待命状态。 [0048] 应当理解，在图1所示的非引爆启动状态中，电压源12不能对引信头14提供任何电压差，因为它不通过引信头14形成闭合环路的一部分。因此，即使电压源被无意激活，引信头14也不会导致启动，并因此导致爆炸性药剂的引爆。该特征被视为本发明的特定优点。 [0049] 一旦随后将启动装置切换为图2所示的待命状态，在切换的无线电信号的操作性接受下，电压源12和引信头14被连接在通过主导电路径15.1提供的闭合环路导电路径中，然后这允许在引信头14上产生电压差，并因此允许启动爆炸物从而引爆。 [0050] 在本发明的特定实施例中，电压源12可以是与主导电路径15.1集成的集成电压源。 [0051] 具体而言，电压源12也可以是可充电或者可再充电的电压源。在这种情况下，电压源12优选包括感光的充电组件（未示出）或者与其操作性地相关联，并且在暴露于充电信号的充电特性时，充电组件能够对电压源12充电，然后当启动装置16处于待命状态时，电压源12可以足够量级放电，以在电阻桥两端产生引爆启动电压差。这种充电组件通常可以是或者包括光敏电池（例如有机光电电池）或其他感光组件（例如晶体管）。 [0052] 或者，充电组件本身可以是电压源12。因此，根据本发明，充电组件也可以形成电压源12或者形成电压源12的一部分，特别是在电压源12为可充电或者可再充电的电池时，例如包括光敏材料的电池，光敏材料可能形成电池中包括的光电电池的一部分。 [0053] 一旦基于RFID的开关装置将启动装置从非引爆启动状态切换为待命状态，在暴露于充电特性的可充电组件中增加的电能因此释放。应当理解，通过充电的可充电组件的放电，启动装置因此改变为切换到引爆启动状态。 [0054] 通过冲击信号可以提供充电信号并因此提供充电特性，该冲击信号通过冲击管发送并包括压力波、光脉冲、温度波和产物波（product wave），这些波的任何一个或多个可提供充电特性，因此充电特性可以包括充电压力、充电光脉冲、充电温度、充电组成成分。可充电组件随后可通过这些充电特性的任何一个或多个被充电。 [0055] 优选地，可充电组件可通过光脉冲充电。因此，可充电组件可以被充电并呈现为准备光脉冲的放电。在这种情况下，可充电组件通常可以因此操作性地与亦如上所述的光敏晶体管、光电二极管或者光电电池相关联。 [0056] 尤其用于提供将可充电电压源充电的足够光线（能量）冲击管可包括光致发光添加物，光致发光添加物增强、扩展或增加冲击管内装载的爆炸性物质的光能输出。这种光致发光添加物可包括荧光和/或磷光有机或无机材料的任何一种或全部，荧光和/或磷光有机或无机材料增加或改变发射的光脉冲的波长，或者改变冲击管的光发射特性，从而增强从冲击管发射的光线（能量），用于光电应用。 [0057] 期望本发明的这种构造特别有用，因为其与启动装置11集成并且取决于对通过冲击管可发送的信号的操作，所以避免了为了向启动装置提供电能而对复杂线连接的需求。在这种构造的使用中，引信系统10因此可以构想为通过两种可能的方式操作： [0058] （i）向系统10发送充电信号，从而将电压源12充电并呈现为准备电压源12的放电，之后通过基于RFID的开关装置将启动装置11切换为待命状态，从而允许充电的电压源10的几乎立即放电，因此允许将启动装置11切换为引爆启动状态。 [0059] （ii）通过基于RFID的开关装置将启动装置切换为待命状态，并且之后向启动装置11发送充电信号，从而将电压源12充电，一旦足够量级的电流负载到达使得生成引爆启动电压，电压源12立即放电。 [0060] 应当理解，引爆启动电压的应用不一定立即导致爆炸性药剂的引爆。就此而言，启动装置11中可以合并定时和延迟部件，该定时和延迟部件通过引爆启动电压的应用来供电，进而导致爆炸物的引爆。 [0061] 因此，本发明构思了诸如引爆系统10这样的引爆系统，其能够从非引爆启动状态切换为待命状态，在非引爆启动状态中，引爆系统不能操作性地接受引爆启动信号，在待命状态中，引爆系统能操作性地接受引爆启动信号，这种切换通过基于RFID的开关装置实现，开关装置能够在检测到无线电切换信号的特定无线电频率时，将启动装置从非引爆启动状态切换为待命状态。 [0062] 申请人认为上述针对引信系统操作的方法，即，通过使得启动装置仅在预定状态下对启动敏感，对于这种引信系统的操作安全特别有用，因为可以防止由于过早的引爆启动信号发送所致的无意引爆。因此，为了引爆的结果，本发明要求引信系统的操作按照事件的特定顺序进行。 |
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