Sistema Basado en FPGA para la Medición de
Velocidad de Detonación en Cordones Detonantes
FPGA-Based System for Velocity of Detonation Measurements on Detonating Cords
Silvano R. Rossi
#1
, Roberto J. de la Vega
*2
, Franco E. Déber
*3
#
Dpto. Ing. Electromecánica - Núcleo INTELYMEC – CIFICEN (UNCPBA-CICPBA-CONICET)
Facultad de Ingeniería, UNCPBA
Olavarría, Bs. As., Argentina
1
srossi@fio.unicen.edu.ar
*
Dpto. Ing. Electromecánica - Núcleo INTELYMEC – Facultad de Ingeniería, UNCPBA
Olavarría, Bs. As., Argentina
2
rjdlv@fio.unicen.edu.ar
3
fdeber@fio.unicen.edu.ar
Resumen— Este trabajo presenta los aspectos más
importantes del desarrollo de un sistema diseñado para medir
la velocidad de detonación (VOD) de cordones detonantes
utilizados en la industria minera. El sistema utiliza el método
de medida punto a punto, empleando fibras ópticas como
elementos sensores. Está compuesto por un dispositivo FPGA
que permite la implementación de un sistema multicanal y
fácilmente escalable y un microcontrolador que gestiona la
interfaz de usuario. Este instrumento se desarrolló en
respuesta al requerimiento de una empresa fabricante de
cordones detonantes, ante la ausencia de este tipo de equipos
en el mercado nacional. El medidor de VOD desarrollado es
capaz de medir velocidades mayores a los 7500 m/s, cubriendo
la mayoría de las aplicaciones en la industria minera y
petrolera.
Palabras clave: velocidad de detonación; cordón detonante;
FPGA.
Abstract— This work presents the most important aspects of
the development of a system designed to measure the velocity
of detonation (VOD) of detonating cords used in the mining
industry. The system utilizes the point-to-point measuring
method, employing optical fibers as sensing elements. It
comprises an FPGA device that enables the implementation of
a multi-channel, easily scalable system, and a microcontroller
that manages the user’s interface. This instrument was
developed in response to a request from a detonating cords
manufacturing company, addressing the absence of such
equipment in the national market. The VOD meter developed
is capable of measuring velocities greater than 7500 m/s,
covering most applications in the mining and oil industry.
Keywords: velocity of detonation; detonating cord; FPGA.
I. INTRODUCCIÓN
Los explosivos industriales poseen un amplio campo de
aplicación en la minería a cielo abierto, minería subterránea,
obra civil e industria petrolera, entre otras. Se los utiliza
para realizar voladuras controladas, excavaciones,
perforaciones y punzado de pozos [1]-[4]. En este contexto,
la velocidad de detonación, comúnmente conocida como
VOD (Velocity of Detonation) de un explosivo constituye
uno de los parámetros característicos más importantes
asociado a su desempeño y, por lo tanto, su medición es
relevante tanto en su fabricación, como en su campo de
aplicación [5], [6].
La VOD de un explosivo es la velocidad a la cual se
propaga el frente de onda de detonación a través de una
carga explosiva, pudiendo alcanzar valores mayores a los
7000 m/s en determinados casos [7], [8]. Mediante la VOD
se puede obtener también la presión de detonación, también
necesaria para evaluar el desempeño de los explosivos [9],
[10].
Los distintos tipos de explosivos poseen diferentes VOD
y el aumento de su valor está relacionado con la potencia de
los mismos. En un explosivo, la VOD depende de su
composición, densidad, grado de confinamiento, diámetro
de la carga, tamaño de partícula de sus componentes y
temperatura, entre otros parámetros y variables [11], [12].
Por los motivos expresados anteriormente, la medición de la
VOD con un elevado grado de exactitud es fundamental en
el campo de los explosivos industriales [13], [14],
impactando, por un lado, en las empresas que emplean
explosivos, ya que al medir correctamente y sistematizar la
medición pueden mejorar las voladuras controladas y, por
otro lado, en los fabricantes de explosivos y sus accesorios,
porque pueden caracterizarlos de manera más adecuada y
mejorar su producción.
Los cordones detonantes merecen especial atención en
relación a su VOD, dado su elevado valor relativo respecto
a otros explosivos y cargas explosivas. Los cordones
detonantes son tubos flexibles que contienen material
explosivo en su interior, caracterizados por su elevada VOD
con valores superiores a los 5.000 m/s, alcanzando
actualmente valores superiores a los 8.000 m/s [15]-[17]. Se
utilizan principalmente para iniciar detonadores y como
línea principal para conectar barrenos u otras cargas
explosivas [18].
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Recibido: 27/09/24; Aceptado: 02/12/24
https://doi.org/10.37537/rev.elektron.8.2.198.2024
Original Article
La VOD se mide con técnicas y/o instrumentos de
medición que responden a diferentes métodos [19]-[22]. En
términos generales, un sistema para medir VOD requiere
elementos sensores que estén en contacto con el explosivo y
un registrador que almacene los cambios a lo largo del
tiempo, para finalmente visualizar la VOD en una pantalla.
Los métodos de medición de VOD continuos y
discontinuos son los predominantes en los equipos
comerciales [23]. En los métodos continuos se emplean
cables o sondas de valor de resistencia lineal conocida y
dispuestos a lo largo del explosivo. A medida que avanza el
frente de onda de detonación, el explosivo consume la
sonda y la resistencia del circuito disminuye en valor
proporcional a la reducción de su longitud, para medir y
registrar la variación de una variable eléctrica a lo largo del
tiempo. En los métodos discontinuos, las mediciones se
realizan en puntos específicos de la carga explosiva (punto a
punto). En particular, mediante el sensado óptico empleando
cables de fibra óptica dispuestas en diferentes puntos del
explosivo, la VOD se obtiene midiendo el tiempo que tarda
la onda de choque en viajar de una fibra a otra y conociendo
la distancia de separación entre ellas [14], [23].
Existen, a nivel mundial, diversas opciones comerciales
de alto costo relativo para la medición de la VOD, que se
han utilizado y se utilizan en diferentes estudios sobre
métodos de medición, propiedades de los explosivos y
realización de mediciones en campo [18], [24]-[26]. La
alternativa de desarrollos de dispositivos de bajo costo ha
sido poco explorada, particularmente en los países en vías
de desarrollo. Existen alternativas de dispositivos basados
en microcontrolador [27], [28] para velocidades medias. No
obstante, se aprecia una notable carencia en relación a los
medidores basados en dispositivos lógicos programables
tipo FPGA (Field Programmable Gate Array), aplicables a
la medición de altas VOD, como es el caso concerniente a
los cordones detonantes. En términos de aplicaciones
basadas en dispositivos lógicos programables, se consideran
relevantes los trabajos presentados en [29]-[31].
En [29] se presentó un sistema para mediciones de VOD
que utiliza tecnología FPGA. Se trata de un registrador
digital de datos diseñado para medir la VOD en aplicaciones
de campo. En el trabajo se menciona que el registrador es
capaz de grabar datos a altas velocidad (hasta 20 MHz),
pero no se especifican las VOD medidas. En [30], se
propuso un sistema de medida de VOD utilizando dos fibras
ópticas para medición punto a punto. El trabajo muestra el
registro de medición de VOD en cordones detonantes, con
valores entre 7100 y 7300 m/s. Dicho sistema emplea una
FPGA para procesar las señales, lo que mejora la precisión
de la medida y simplifica la depuración del sistema. El
dispositivo muestra la VOD obtenida en una pantalla. En
[31] se presentó el desarrollo y las pruebas de un medidor
de VOD llamado OPTIMEX, que utiliza múltiples sondas
de fibra óptica independientes como sensores. El sistema
está compuesto por una FPGA (sistema digital) y un
microcontrolador que gestiona la interfaz con el usuario. El
trabajo muestra el registro de medición de VOD en
cordones detonantes, en el rango de 6000 a 8000 m/s.
En este trabajo se presenta el desarrollo de un sistema de
bajo costo basado en FPGA para la medición de VOD a
solicitud de una empresa fabricante de cordones detonantes
con certificación ISO 9001:2015. El requerimiento de la
empresa surge debido a la ausencia de este tipo de
dispositivos a nivel nacional y en gran parte de
Latinoamérica.
El punto crítico y desafiante del presente trabajo se
relaciona con la velocidad de procesamiento requerida para
medir hasta 10.000 m/s, con una resolución de medición de
tiempo de 0,1 µs, lo que condujo a la decisión de utilizar
una FPGA, que permite la implementación de un sistema
multicanal (5 en este caso) y fácilmente escalable. De esta
manera, el medidor de VOD desarrollado cubre la mayoría
de las aplicaciones en la industria minera y petrolera.
El artículo está organizado de la siguiente manera: en la
Sección II se describe el método de medición implementado,
las partes constitutivas del medidor de VOD desarrollado y
sus aspectos funcionales; en la Sección III se muestran los
resultados obtenidos; en la Sección IV se discuten
cuestiones asociadas a la medición de VOD y, finalmente,
se presentan las conclusiones del trabajo.
II. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA
A. Método de Medición Utilizado
El sistema desarrollado utiliza cables de fibra óptica
como elementos sensores para detectar y transmitir la señal
luminosa generada por el frente de onda de detonación. Se
trata de un método discontinuo, punto a punto, en el que el
primer cable de fibra óptica dispuesto en el cordón
detonante señala el inicio del contaje de tiempo y la última
fibra, fijada a una distancia conocida en el cordón, lo
detiene. La distancia entre los puntos de medición (llamados
segmentos), dividida por la diferencia de tiempo entre las
señales transmitidas por las fibras ópticas, proporciona una
estimación precisa del valor de la VOD. Siguiendo el
mismo principio, se implementaron cinco puntos de
medición que permiten la adquisición de cuatro mediciones
de VOD.
El paso del frente de onda de detonación por un punto de
la muestra (cordón detonante) se detecta y transmite
mediante una fibra óptica plástica, con núcleo de
polimetilmetacrilato (PMMA) de 1000 µm de diámetro y
revestimiento de polímero fluorado de 2,2 mm de diámetro.
Dicha fibra se dispone de forma perpendicular al cordón
detonante (Fig. 1), haciendo contacto con éste y asegurada
con una cinta. La fibra óptica se conecta al medidor VOD
en el otro extremo.
Fig. 1. Fibra óptica colocada en el cordón detonante.
Los tiempos a medir se sitúan en el rango de 1 µs a 1.000
µs con una resolución de 0,1 µs. El equipo es capaz de
medir hasta cuatro tiempos de recorrido, lo que equivale a
cinco puntos, y calcular sus velocidades. Los resultados se
muestran en una pantalla LCD, incluyendo los tiempos
medidos, las distancias introducidas y las VOD calculadas.
El sistema permite almacenar hasta tres ensayos con su
respectiva fecha y hora. En la Fig. 2 se muestra un diagrama
del sistema de medición implementado.
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Fig. 2. Método de medición de VOD implementado.
B. Partes Constitutivas del Medidor
En la Fig. 3 se muestra el diagrama en bloques del
medidor de VOD. El sistema está compuesto por las
entradas de señal de fibra óptica FOn, que se conectan a un
conformador de pulsos (CP), un sistema digital (SD) para el
procesamiento de las señales recibidas, un host, un teclado y
un display.
El SD se implementó en una FPGA y el host mediante
un microcontrolador. Se eligió esta alternativa en función de
los requerimientos planteados por el usuario, en cuanto a
posibles modificaciones futuras de la interfaz de usuario.
Por este motivo, se implementó un host basado en
microcontrolador debido a la facilidad y versatilidad de las
posibles modificaciones del software.
El SD se aloja en un dispositivo FPGA de la empresa
Altera, familia CYCLONE II, soportado por una placa
modelo EP2C5T144 miniboard genérica. Para la
descripción del hardware se utilizó lenguaje VHDL. Tanto
para la descripción como para la configuración del hardware
del SD se utilizó la herramienta Quartus
®
II Versión 13.0.0
Web Edition. El módulo UART se implementó mediante
descripción HDL pública.
Para el host se empleó un microcontrolador
MSP430F247 de Texas Instruments. El uC utiliza la
memoria flash disponible para el usuario para almacenar los
ensayos. Como entorno de desarrollo de software se utilizó
Code Composer Studio
TM
. Se definió una interfaz hombre-
máquina mediante una pantalla de 4 líneas x 20 caracteres y
un teclado compuesto por cinco pulsadores con funciones
específicas.
Fig. 3. Diagrama en bloques del medidor de VOD.
El medidor de VOD dispone de cinco pulsadores, cuatro de
los cuales tienen doble función. Las funciones son las
siguientes: ENTER para dar comienzo a la prueba,
ARRIBA/ARM para subir o armar, ABAJO/GUARDAR
para bajar o guardar, IZQ/NUEVO para mover a la
izquierda o ejecutar una nueva prueba, y DER/MENU para
mover hacia la derecha o volver a la pantalla del menú. La
función de cada pulsador está determinada por la pantalla en
la que se encuentre.
C. Descripción Funcional
El bloque SD permite determinar el tiempo transcurrido
entre la transición de la señal S0 (que corresponde al inicio
de la cuenta) y las transiciones de las señales digitales S1 a
S4, mediante un contador de pulsos que produce un
oscilador de 50 MHz, lo que permite una resolución de 20
ns. El bloque CP convierte las señales luminosas
provenientes de las entradas FOn en señales eléctricas (S0 a
S4) por medio de detectores fotoeléctricos aptos para operar
con las fibras ópticas empleadas y comparadores de alta
velocidad de respuesta. Una transición de BAJO a ALTO a
la salida del comparador indica el pasaje del frente de onda
de detonación por el punto de medición correspondiente.
En la Fig. 4 se presenta un diagrama detallado del SD, en
el que pueden apreciarse una máquina de estados (ME), un
contador, un multiplexor 8 a 1 (8-1 MUX), 4 registros de 16
bits (REG0-REG3) y un bloque UART.
Las señales S0 a S4 ingresan a la ME diseñada para
controlar el bloque SD. Para su funcionamiento se
definieron 40 estados. Por razones de simplicidad su
operación será discutida brevemente. Cuando la ME se
habilita para un ensayo (estado armado), un flanco creciente
de S0 en la entrada de la ME dispara un contador sincrónico
de 16 bits, a través de la señal de salida CTENA de la ME,
iniciando la cuenta.
A través de la ME se habilitan los registros REG0 a
REG3 que almacenan el número de pulsos contados en las
transiciones de las señales S1 a S4. Si no se detectan flancos
crecientes en las entradas Sn de la ME, el contador
alcanzará el valor final de la cuenta. En cambio, si se
detectan todos los flancos crecientes de dichas señales el
contador también alcanzará el valor final de la cuenta,
llevando la ME al estado final de la medición, mediante la
señal CTEND. En dicho estado, el contador se deshabilita a
través de la señal CTENA de la ME, deteniendo la cuenta
para pasar al estado de selección de registros.
Posteriormente, el SD inicia el proceso de envío de los datos
de los registros al host, seleccionando secuencialmente
(salida SEL de la ME) cada salida de registro (entradas al 8-
1 MUX) para ingresar los datos en la UART. Luego de
finalizada la transmisión, el SD queda en espera hasta un
nuevo proceso de medición.
Luego de recibidos los datos en el host, éste calcula los
tiempos parciales: t0 = tREG0, t1 = tREG1 - tREG0, t2 =
tREG2 - tREG1 and t3 = tREG3 - tREG2. Si los tiempos
calculados resultan menores que 0, se les asigna el valor 0,0.
Si los valores de las distancias son 0 (no se ingresó valor
diferente al default), a los tiempos se les asigna el valor 0,0.
Posteriormente se convierten los tiempos a código ASCII,
preparando la información para enviar al display.
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Fig. 4. Medidor de VOD – Detalles del sistema digital.
Si los valores de los tiempos son 0.0, se indica “----”. Si
los tiempos resultan mayores a 999,9, se indica “OVL”.
Luego se calculan las velocidades en m/s. Para determinar
las 4 velocidades, el host utiliza las distancias ingresadas
por el operador y el cálculo del tiempo correspondiente a
cada segmento (número de pulsos contados x el período de
los pulsos). Si los valores de los tiempos son 0,0, se les
asigna el valor 0,0. Los datos de VOD se convierten a
código ASCII, preparando la información para enviar al
display. Si los valores de las velocidades son 0,0 se indica “-
--” en el display, en contrapartida, si resultan mayores a
999,9, se indica “OVL”.
III. RESULTADOS
A. Simulación Funcional
En la Fig. 5 se muestra una simulación funcional del
sistema digital en ModelSim
®
, correspondiente al proyecto
VOD-SD (realizado con la herramienta Quartus
®
II).
Fig. 5. Simulación funcional del sistema digital.
En la simulación se puede visualizar parte del
funcionamiento de la ME y las salidas de los registros. Se
han considerado las siguientes señales de entrada a la ME:
clock de 50 MHz, ARM, RESET, STBY y TEST, y la salida
CTENA. Con el RESET en nivel lógico ‘0’, ARM en nivel
‘1’, TEST en nivel ‘0’ y STBY en nivel ‘0’, respectivamente,
la ME pasa al estado espera_pulso. La ME evoluciona al
estado marcha_arm ante un flanco creciente en la señal S0 y
se habilita el contador (salida CTENA de la ME),
iniciándose la cuenta. En el diagrama pueden verse las
transiciones en las señales S1 a S4 y los valores
correspondientes en la salida de los registros como resultado
del contaje de pulsos. Si no se detecta flanco de S0, la ME
permanece en el estado espera_pulso o evoluciona hacia
stdby, cuando la entrada STBY pasa al nivel lógico ‘1’.
En cuanto a los recursos, se utilizaron 207 de los 4.608
elementos lógicos disponibles de la FPGA (4%), 151 de los
4.608 registros lógicos dedicados (4%) y 14 de los 89 pines
(16%), lo que indica que el sistema digital puede escalarse
sin cambiar la FPGA.
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B. Ensayos de Campo
Para la realización de los ensayos de campo, inicialmente
se deben colocar las fibras ópticas en el cordón detonante en
orden secuencial, a partir del extremo en el cual se inicia la
detonación. La cantidad de fibras a colocar depende de la
cantidad de tiempos que se desee medir, hasta un máximo
de 5 en este caso. La primera fibra, que corresponde a la
entrada nº 1 del equipo, se debe colocar en cualquier caso de
medición. El corte de la fibra se realiza en ángulo recto
respecto a su eje longitudinal con una cortadora específica
para fibras ópticas. En la Fig. 6 se puede observar la
colocación de cuatro fibras ópticas en el cordón detonante
para la realización de un ensayo de prueba. Posteriormente,
los otros extremos de las fibras ópticas se conectan al
medidor de VOD, a través de sus conectores de entrada. El
instrumento se ubica en una zona protegida a una distancia
aproximada de 5 m.
Fig. 6. Preparación del ensayo para medición de VOD de un cordón
detonante.
Una vez encendido, el equipo realiza un autodiagnóstico
para verificar el funcionamiento correcto del sistema y el
estado de la batería. Si se verifica funcionamiento correcto,
el operador puede operar normalmente el equipo. En esa
instancia, se puede seleccionar una de dos alternativas:
realizar un nuevo ensayo o acceder a la memoria para
observar ensayos realizados anteriormente. Para proceder al
ensayo, el operario del instrumento de medición debe cargar
previamente las distancias comprendidas entre las fibras
ópticas ubicadas en el cordón.
En la Fig. 7 se muestran los valores de VOD obtenidos en
una prueba de campo, considerando 4 canales de medición,
que corresponden a 3 distancias ingresadas y, por lo tanto, 3
tiempos medidos y 3 VOD medidas.
Los valores de VOD obtenidos deben ser comparables.
Valores disimiles indicarían la presencia de un defecto o un
problema de calidad del cordón detonante. Este resulta un
dato de vital relevancia para el fabricante.
Fig. 7. Valores de distancias ingresadas, tiempos calculados y VOD
medidas, mostrados en el display del instrumento de medición.
C. Especificaciones Principales
En la Fig. 8 se muestran dos vistas del medidor de VOD
desarrollado, en la primera de ellas una vista frontal en la
que pueden apreciarse el display y el conjunto de pulsadores
y, en la segunda, una vista lateral en la que pueden verse los
conectores de entrada de fibra óptica que contienen a los
fotodetectores.
En la Tabla I se detallan las especificaciones principales
del medidor.
Fig. 8. Vistas frontal y lateral del medidor de VOD.
TABLA I
MEDIDOR DE VOD – ESPECIFICACIONES PRINCIPALES
Características
Especificación/Valor
Largo: 20,5 cm; Ancho: 16 cm;
Alto: 6 cm
5 entradas para conexión de fibra
óptica
999,9 µs
100 ns ± 20 ns
La suma de distancias no puede
ser mayor a 999 cm
9999 m/s
Capacidad para almacenamiento
de 3 ensayos
Fuente de alimentación externa o
batería de 9 V
60 mA
PMMA, diámetro de núcleo de
1000 µm y diámetro de
revestimiento de 2,2 mm
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IV. DISCUSIÓN
Mediante la medición de VOD, entre otros parámetros, se
puede caracterizar a un explosivo determinado. No obstante,
hay otra cuestión relevante asociada a los valores que se
obtienen en las mediciones, dado que valores disimiles de
VOD en un mismo ensayo de campo indica la presencia de
un defecto o un problema de calidad del explosivo,
auxiliando en su proceso de fabricación.
En los ensayos realizados en campo se han registrado
valores de VOD superiores a los 7600 m/s, dado que los
cordones detonantes ensayados poseen esa característica.
No obstante, la VOD teórica medible es de 9999 m/s. Si se
consideran los trabajos [29]-[31], mencionados en la
introducción, puede observarse que el dispositivo
desarrollado iguala y, en determinados casos supera, a los
equipos existentes, pero con un concepto de bajo costo. Un
aspecto importante en este sentido es disponer de un
medidor de estas características a nivel nacional, pues no se
tienen datos de registros de este tipo de equipos,
desarrollados en el país, que se comercialicen en el mercado
nacional. Los equipos disponibles son de origen importado
y se comercializan fundamentalmente a través de
proveedores internacionales. Se considera, así, que el
medidor desarrollado puede reemplazar a los equipos
importados, con prestaciones similares y con un costo
competitivo.
En particular el medidor de VOD presentado en este
trabajo ha sido transferido y actualmente se está utilizando
para mediciones de campo en una empresa fabricante de
cordones detonantes, llevando más de dos años de
utilización.
Como fase siguiente del proyecto, actualmente se está
ensayando un simulador óptico, también basado en FPGA,
que permite simular la detonación de un cordón explosivo,
constituyendo un instrumento patrón para el contraste el
medidor de VOD y obtener la curva de error de instrumental.
V. CONCLUSIONES
Se desarrolló un medidor de VOD basado en FPGA, de
bajo costo relativo, que permite realizar mediciones en
cordones detonantes. En los ensayos realizados en campo se
han registrado valores de VOD superiores a los 7600 m/s.
No obstante, El medidor tiene la capacidad de medir
velocidades de detonación hasta los 9999 m/s, cubriendo así
la mayoría de las aplicaciones en el campo de la minería e
industria del petróleo, con una resolución de 0,1 µs en la
medición de tiempo, la que se considera adecuada, pues
iguala o supera a la de los equipos existentes.
El diseño del hardware permite la escalabilidad para
acomodar más canales reutilizando la descripción del
hardware realizada.
El medidor de VOD desarrollado se considera un aporte a
la solución de un problema que tiene alcance regional,
motivado por la necesidad de sustitución de importaciones.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo fue realizado con el financiamiento y apoyo
de la Empresa Explosivos Tecnológicos Argentinos S.A.
viabilizado mediante un protocolo de desarrollo tecnológico
entre la empresa y la UNCPBA.
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