Desarrollo de un Simulador Óptico de Detonación
de Cordones Detonantes Basado en FPGA
Development of an FPGA-Based Optical Detonation Simulator for Detonating Cords
Silvano R. Rossi
#1
, Matias R. Simonet Faraldo
*2
, Roberto J. de la Vega
*3
, Franco E. Déber
*4
, Roberto C.
Leegstra
*5
#
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
2-5
dirie@fio.unicen.edu.ar
Resumen— En este trabajo se presentan los aspectos más
importantes del desarrollo de un sistema simulador óptico,
basado en FPGA, que permite generar señales luminosas en
rango del espectro visible. Además, el equipo permite generar
patrones de tiempo. Con estas condiciones el sistema puede
utilizarse para contrastar un medidor de velocidad de
detonación (VOD) de cordones detonantes usados en la
industria minera, basado en el método de medición punto a
punto. El equipo comprende un dispositivo FPGA que permite
la implementación de un sistema multicanal, fácilmente
escalable y un microcontrolador que maneja la interfaz de
usuario. Este dispositivo fue desarrollado en respuesta al
requerimiento de una empresa fabricante de cordones
detonantes, para disponer de un dispositivo para realizar el
contraste de un instrumento medidor de VOD desarrollado
por la Facultad de Ingeniería - UNCPBA, en una fase previa a
este proyecto.
Palabras clave: velocidad de detonación; cordón detonante;
FPGA; contraste.
Abstract— This work presents the most important aspects of
the development of an FPGA-based optical simulator system
that allows the generation of luminous signals in the visible
spectrum range. In addition, the instrument allows the
generation of time patterns. With these features, the system
can be used to calibrate a Velocity of Detonation (VOD) meter
of detonating cords used in the mining industry, based on the
point-to-point measuring method. It comprises an FPGA
device that enables the implementation of an easily scalable
multichannel 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 for
a device to calibrate a VOD meter developed by the Faculty of
Engineering - UNCPA, in a previous phase of this project.
Keywords: velocity of detonation; detonating cord; FPGA;
calibration.
I. INTRODUCCIÓN
La utilización de cargas explosivas está ampliamente
extendida en el campo de las industrias minera, petrolera y
construcción civil, entre otras, para la realización de
voladuras controladas, siendo elementos imprescindibles
para que dichas industrias puedan llevar a cabo sus
operaciones [1], [2], [3].
Los explosivos industriales se presentan en una amplia
variedad de formatos y configuraciones. En dicho contexto
es relevante la medición de la velocidad de detonación
(VOD) de un explosivo, dado que su valor indica la
velocidad a la cual se propaga el frente de onda de
detonación a través de una carga explosiva, siendo un
indicador directo de su desempeño y calidad [4]. Por
ejemplo, la VOD de diferentes explosivos tiene influencia
directa en la intensidad de pre-fracturamiento (microgrietas
inducidas) de la roca durante un proceso de voladura
controlada. En la extracción de piedra para construcción
dicho fenómeno afecta directamente la calidad del material
obtenido en canteras, dado que un exceso de microfracturas
generará material más fino no aprovechable [5]. Por lo
antedicho, la correcta medición de la VOD es relevante
tanto para fabricantes como para usuarios finales de cargas
explosivas industriales.
Específicamente, dentro de la gama de cargas explosivas
y sus accesorios, los cordones detonantes son tubos flexibles
que contienen material explosivo de alto régimen en su
interior, utilizados para iniciar detonadores y también como
medio para conectar otras cargas explosivas [6], [7]. Los
cordones detonantes presentan VOD mínimas del orden de
los 6.000 m/s, pudiendo alcanzar velocidades mayores a los
7.000 m/s [8], [9], [10]. Estas VOD son considerablemente
elevadas y hacen que el cordón detonante explote casi
instantáneamente para las longitudes utilizadas en la
práctica, garantizando la detonación simultánea, aplicable,
por ejemplo, a la sincronización de varias cargas, aunque
éstas se hayan colocado a diferentes distancias del punto de
iniciación [11].
Existen diferentes métodos y equipamientos para la
medición de la VOD [12], [13], [14], [15]. En particular, en
los instrumentos medidores que utilizan el método punto a
Revista elektron, Vol. 9, No. 2, pp. 68-75 (2025)
ISSN 2525-0159
68
Recibido: 27/09/25; Aceptado: 17/11/25
https://doi.org/10.37537/rev.elektron.9.2.218.2025
Original Article
punto, las mediciones se realizan empleando el sensado
óptico de la detonación mediante cables de fibra óptica
dispuestos en diferentes puntos del explosivo. De esta
manera, el medidor calcula la VOD midiendo el tiempo que
tarda el frente de onda de choque (onda de detonación) en
viajar de una fibra a otra (punto a punto) y conociendo la
distancia que las separa [16].
Al igual que otros instrumentos de medición, estos
dispositivos deben ser contrastados periódicamente
mediante un instrumento patrón para verificar que las
mediciones no presenten errores o desviaciones mayores a
las estipuladas en sus especificaciones de fabricación.
Más allá de los sistemas comerciales, la alternativa de
desarrollos de dispositivos de bajo costo para la calibración
de instrumentos medidores de VOD ha sido poco explorada.
En [17] se desarrolló un método para la calibración de un
temporizador electrónico para la medición de VOD,
describiendo la configuración y las condiciones de medición.
La comparación se realizó usando un cordón detonante
como fuente de luz y un osciloscopio digital como
referencia. En [18], se desarrolló un dispositivo basado en
microcontrolador capaz de crear dos o más pulsos de luz
con un retardo de tiempo de precisión en un rango de
microsegundos a varios segundos. No obstante, no se tiene
registro de este tipo de sistemas basados en FPGA,
constituyendo el principal aporte de este trabajo, para
cumplir el requerimiento de contrastación de medidores de
VOD en el orden de los 7000 a 8000 m/s.
En este trabajo se presentan los aspectos más importantes
del desarrollo de un sistema simulador óptico, basado en
FPGA, que permite generar señales luminosas en el rango
del espectro visible, en cada una de sus salidas, simulando
el efecto de la detonación en diferentes puntos de un cordón
detonante. Para ello, el dispositivo también permite generar
un patrón de tiempos, haciendo que dichas señales
luminosas se produzcan en los tiempos definidos por el
usuario, dentro de un rango preestablecido. Bajo estas
condiciones el equipamiento desarrollado puede ser
utilizado para contrastar un medidor de VOD que emplee el
método de medición punto a punto, basado en fibras ópticas.
Este desarrollo se realizó en respuesta a la solicitud de
una empresa fabricante de cordones detonantes con
certificación ISO 9001:2015, para disponer de un
instrumento patrón para el contraste de un medidor de VOD
previamente desarrollado por los autores del presente
trabajo [16]. El requerimiento de la empresa surgió debido a
la ausencia de este tipo de dispositivos a nivel nacional y en
gran parte de Latinoamérica.
El artículo está organizado de la siguiente manera: en la
Sección II se describe la medición de VOD mediante el
método punto a punto, los aspectos centrales del simulador
óptico desarrollado, su descripción funcional, aspectos de
montaje y el método de obtención del error de instrumental;
en la Sección III se muestran los resultados obtenidos.
Finalmente se realiza una discusión y se presentan las
conclusiones del trabajo.
II. MATERIALES Y MÉTODOS
A. Medición de VOD Mediante el Método Punto a Punto
El instrumento de medición de VOD, desarrollado en
etapas previas a este proyecto, fue transferido a una empresa
fabricante de explosivos para su utilización en ambiente
industrial [16]. El sistema se basa en el método de medición
discontinuo, punto a punto, representado esquemáticamente
en la Fig. 1. Para ello se utilizan fibras ópticas como
sensores consumibles, dispuestas de manera perpendicular a
la dirección de propagación del frente de onda de
detonación [19]. Esta configuración transversal difiere del
sensado longitudinal convencional, ya que en este caso se
busca registrar la emisión luminosa generada por el frente
de onda en la zona de interacción entre el cordón detonante
y la fibra óptica, justo en el instante de su avance. De este
modo, la fibra óptica capta y transmite la señal luminosa
desde el sitio de medición en campo hacia el medidor de
VOD. Como ejemplo de la preparación de un ensayo, en la
Fig. 1 se muestra la disposición de una fibra óptica colocada
perpendicularmente al cordón detonante, en contacto directo
con éste y fijada mediante cinta adhesiva.
Fig. 1. Medición de VOD de cordón detonante mediante el método punto a
punto.
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 conocida entre los puntos de medición
(∆dx), dividida por la diferencia de tiempo entre las señales
transmitidas por las fibras ópticas, proporciona el valor de la
VOD de cada segmento. Con el equipo desarrollado puede
medirse un valor máximo de tiempo de 999, 9 μs, con una
resolución de tiempo de 100 ns ± 20 ns. El instrumento es
capaz de medir hasta cuatro tiempos de recorrido, lo que
equivale a cinco puntos, y calcular sus velocidades.
Este tipo de ensayo es sumamente útil para caracterizar la
VOD de un cordón detonante, dado que la obtención de
valores diferentes de velocidad en un mismo ensayo de
campo indica la presencia de un defecto o un problema de
calidad en el cordón detonante fabricado, permitiendo al
fabricante realizar las acciones correctivas necesarias.
B. Simulador Óptico de Detonación
En la Fig. 2 se muestra el diagrama en bloques del
Simulador Óptico de Detonación (SOD) desarrollado.
El sistema está compuesto por un host, un teclado, un
display, un sistema digital (SD) para el procesamiento de las
señales recibidas, un sistema emisor de pulsos (EP) y las
salidas para la conexión de las fibras ópticas (FOn),
utilizando 5 canales.
Revista elektron, Vol. 9, No. 2, pp. 68-75 (2025)
ISSN 2525-0159
69
http://elektron.fi.uba.ar
Fig. 2. Diagrama en bloques del Simulador Óptico de Detonación (SOD).
El SD se implementó mediante una FPGA y el host
mediante un microcontrolador. Se eligió esta alternativa, por
similitud con la arquitectura del medidor de VOD
previamente desarrollado. El host basado en
microcontrolador permite facilidad y versatilidad en las
posibles modificaciones del software, de acuerdo a las
necesidades del usuario.
El SD se aloja en un dispositivo FPGA de la empresa
Altera, familia Cyclone II, soportado por una placa modelo
EP2C5T144I8 miniboard genérica, con un reloj interno de
50 MHz. Aunque se trata de una FPGA de gama baja/media
con un speed grade de -8, el más bajo dentro de las tres
opciones disponibles para la familia Cyclone II, se
considera suficiente para la aplicación. Por otro lado, el
dispositivo elegido ofrece el rango de temperatura industrial
(-40 ºC a 80 ºC), lo que la convierte en una alternativa
adecuada para la aplicación en relación a las otras, con un
costo relativo conveniente [20].
Para la descripción del hardware se utilizó lenguaje
VHDL. A fin de minimizar problemas de sincronismo y
latencia, se partió de una descripción VHDL a nivel de
transferencias de registros (RTL), para obtener una síntesis
del hardware más optimizada.
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 implementar el host se utilizó un microcontrolador
MSP430G2553IN20 de Texas Instruments y como entorno
de desarrollo de software se empleó Code Composer
Studio
TM
.
Por otro lado, se definió una interfaz hombre-máquina
mediante una pantalla de 4 líneas x 20 caracteres y un
teclado compuesto por cinco pulsadores con las siguientes
funciones: ENTER para aceptar o continuar, ARRIBA para
incrementar los dígitos en el menú de ingreso de tiempos,
ABAJO para decrementar los dígitos en el menú de ingreso
de tiempos, IZQUIERDA para el desplazamiento hacia la
izquierda entre los dígitos en el menú de ingreso de tiempos
y DERECHA para el desplazamiento hacia la derecha. Estos
últimos dos también sirven para seleccionar un ensayo y
guardarlo.
Para la emisión de los pulsos de luz se seleccionaron 5
fotodiodos AVAGO SFH757V de alta velocidad, para
aplicaciones en redes ópticas, permitiendo la conexión de
cables de fibra óptica de 2,2 mm de diámetro. Estos
dispositivos emiten luz en el orden de los 650 nm.
C. Descripción Funcional
En la Fig. 3 se presenta el diagrama en bloques detallado
del SD, en el que se puede apreciar un bloque UART, un
contador de 16 bits, una máquina de estados (ME), 4
registros de 16 bits (RegA-RegD) y 5 bloques comparadores
para la emisión de pulsos (pulso0-pulso4). El SD recibe del
host las tramas de datos que contienen los valores de tiempo,
las procesa y emite las señales de pulso hacia el sistema EP,
que produce los pulsos de luz direccionados a las fibras
ópticas conectadas en su salida (FOn).
El orden de valores de VOD en cordones detonantes hace
que su medición sea un desafío en términos de exactitud en
la medición de los tiempos involucrados.
Fig. 3. SOD – Detalles del sistema digital.
Revista elektron, Vol. 9, No. 2, pp. 68-75 (2025)
ISSN 2525-0159
70
http://elektron.fi.uba.ar
Por tal motivo, el SD está compuesto por diferentes
bloques funcionales, con un reloj interno de 50 MHz, para
lograr una velocidad de ejecución acorde a los
requerimientos planteados.
Al comenzar un ensayo, el host se comunica con el SD
para enviar los valores de tiempo empleando 2 bytes (más y
menos significativos respectivamente), vía comunicación
UART. En el SD los tiempos se representan por vectores
lógicos de 16 bits (representación desde 0 hasta 65.535),
permitiendo trabajar con la resolución especificada de 0,1μs
hasta un máximo de 1310,7 μs (65.535 x 20 ns). Por razones
de diseño, se limitó dicha capacidad hasta el máximo
especificado de 999,9 μs.
El bloque UART se encarga de la recepción de los bytes
en conformidad con los parámetros definidos (paridad, tipo
de paridad y tasa de transferencia de datos (9.600 bits/s)).
Mientras la recepción se encuentra activa se emite una señal
de aviso rx_busy. En caso de error de paridad se emite la
señal de error hacia el bloque host (rx_error). La UART
puede ser reiniciada a través de la señal reset_n desde el
host. La señal rx_busy se dirige hacia un bloque flip-flop tipo
D (DFF), se sincroniza con el reloj del SD y se envía hacia la
máquina de estados (ME). Con dicha señal activa la ME
inicia su ejecución habilitando el guardado de los vectores de
datos (rx_data [7...0]) en cada uno de los bloques de registro
(regX) de forma secuencial en función de la recepción de
cada byte. A través de la ME se habilita primero el registro
del byte menos significativo (enbn_0) y luego el del byte
más significativo (enbn_1), de cada bloque, concatenándose
ambos bytes para obtener el valor de tiempo de 16 bits
(data_outn [15...0]). Completado el proceso de recepción y
registro de datos, la ME habilita al bloque pulso0 mediante
la señal enb_P0 y al bloque contador por medio de la señal
count_enable. A continuación, se emite la señal del pulso
inicial (out0) que marca el inicio de cuenta, mientras que el
contador de 16 bits se ejecuta y envía en simultáneo cada
valor de la cuenta (count_out [15...0]) hacia cada uno de los
bloques comparadores pulsoN, que emiten los pulsos de
salida (outN). En el bloque EP del dispositivo, estos pulsos
se convierten en señales luminosas para ser captadas por las
fibras ópticas. Dichos bloques comparan el valor de la cuenta
con el valor del registro correspondiente (regn_in) y, cuando
ambos valores son equivalentes, se emiten las señales de
pulso (3,3 V) de salida (outN) durante el tiempo definido en
base a la cantidad de ciclos configurado. Al finalizar la
cuenta, el contador envía una señal a la ME (end_flag) y esta
vuelve al estado inicial, llevando la señal de fin de cuenta a
un estado alto.
D. Aspectos de Montaje
En la Fig. 4 se presentan los módulos constitutivos del
SOD integrados en un gabinete de aluminio, pudiéndose
apreciar los conectores para el acoplamiento de las fibras
ópticas y el teclado conformado por 5 pulsadores. Asimismo,
se ilustran aspectos básicos del montaje y la disposición de
los subsistemas de alimentación, microcontrolador, FPGA y
fotodiodos emisores. En la versión actual, se implementó
una placa de circuito impreso destinada al montaje de los
fotodiodos, mientras que el procesamiento digital se
resolvió mediante una placa genérica que alberga la FPGA y
un kit de desarrollo que incorpora el microcontrolador,
conforme a lo detallado en la Sección II-B.
Fig. 4. Partes constitutivas del SOD y montaje.
Esta estrategia fue seleccionada en función de la relación
costo-beneficio en la etapa de prototipado y por ser una
estrategia similar a la empleada en el medidor de VOD
desarrollado por este equipo de trabajo [16], dado que
proporcionan flexibilidad mediante periféricos integrados y
capacidad de reprogramación del microcontrolador y
reconfiguración de la FPGA, lo cual ha permitido validar el
desempeño del instrumento en condiciones de campo antes
de la etapa final de diseño y fabricación de las placas
definitivas.
E. Determinación del Error de Instrumental del SOD
Para obtener la especificación de error de instrumental
cometido por el SOD se procedió a realizar un ensayo de
contraste, comparándolo con un instrumento de medición
patrón. Para ello se utilizó un contador digital de tiempo de
dos canales y alta resolución marca Fluke
®
modelo PM6666
de 9 dígitos, calibrado y configurado en el modo de
medición de intervalo de tiempo. Dicho modo permite
medir el tiempo que transcurre entre una pendiente positiva
detectada en el canal A y una pendiente positiva detectada
en el canal B. Según el fabricante, en este modo de
operación se produce un error de sesgo (skew) sistemático
de 4 ns entre canales [21]. Esto implica que se producirá un
valor de corrimiento (offset) de 4 ns en la medición
correspondiente a la diferencia nula entre canales y se
tendrá en cuenta para la obtención de la curva de error
absoluto.
La metodología del ensayo, mostrada esquemáticamente
en la Fig. 5, consiste en conectar el canal A del contador
digital de tiempo al pin 0 de salida del SD (out0), donde se
emite la señal de pulso inicial en el tiempo 0 y conectar el
canal B de forma alternada a las salidas out1 a out4 del SD,
donde se emiten las señales de pulso de salida restantes. De
este modo se leen los cuatro valores de tiempo en el
contador digital, es decir, el valor verdadero convencional o
valor indicado por el instrumento patrón (t
p
), en cada salida.
Estos tiempos se corresponden con un mismo valor de
tiempo configurado (tiempo medido – t
m
), vía teclado, en el
SOD.
Luego se obtiene el error absoluto (E
abs
) en la medición
de tiempo mediante (1) y el error relativo porcentual (𝜀
rel%
),
referido al valor verdadero convencional, utilizando (2):
E
abs
= t
m
– t
p
(1)
𝜀
rel%
= (E
abs
/ t
p
) x 100 (2)
Revista elektron, Vol. 9, No. 2, pp. 68-75 (2025)
ISSN 2525-0159
71
http://elektron.fi.uba.ar
Fig. 5. Diagrama esquemático del contraste del SOD con un contador
digital de tiempo patrón.
Para un mismo valor de t
m
se miden cuatro t
p
y se calcula
en cada caso el error absoluto y el error relativo. Se adoptó
como criterio tomar el mayor E
abs
cometido, dado que
representa la situación más desfavorable, para cada situación
de medición. El ensayo se repite con valores de t
m
fijados en
distintos intervalos de tiempo. Dado que para el ensayo se
tomaron 22 valores de t
m
, en la Tabla I se muestran, a modo
ilustrativo, los valores obtenidos en dos ensayos, para t
m
0,5
µs y 100 µs, respectivamente. Para el primer caso se adopta
E
abs
de 5 ns y 𝜀
rel
de 1 %, referido al valor patrón y, para el
segundo caso ejemplificado, se adopta E
abs
de 17 ns y 𝜀
rel
de
0,0028 %, respectivamente. Como es de esperar, el error de
instrumental relativo obtenido disminuye hacia el fondo de la
escala y crece al inicio de la misma.
En la Fig. 6 se muestra una fotografía referente a la
preparación del ensayo de contraste de tiempos, indicándose
las partes principales.
TABLA I
VALORES OBTENIDOS EN ENSAYO DE CONTRASTE DEL SOD
Salida SD
t
m
(µs)
t
p
(µs)
E
abs
(ns)
𝜀
rel%
1
0,5
0,505
5
1,000
2
0,504
4
0,794
3
0,504
4
0,794
4
0,504
4
0,794
1
600
600,016
16
0,0026
2
600,016
16
0,0026
3
600,017
17
0,0028
4
600,017
17
0,0028
III. RESULTADOS
A. Recursos Lógicos Utilizados
En términos de recursos se usaron 212 de los 4.608
elementos lógicos disponibles de la FPGA (5%), 172 de los
4.608 registros lógicos dedicados (4%) y 11 de los 89 pines
(12%) de entrada/salida. Esto indica que un dispositivo de
gama baja/media como el Cyclone II - EP2C5T144I8
emplea un bajo porcentaje de sus recursos, pudiendo
escalarse fácilmente sin necesidad de cambio para esta
aplicación.
Para la verificación del diseño no se implementó un
módulo de prueba en VHDL destinado a la generación del
testbench. En su lugar, se optó por realizar una verificación
funcional manual del SD directamente en el entorno de
simulación, empleando la herramienta ModelSim®. Esta
estrategia permitió validar el comportamiento lógico del
diseño de manera rápida, resultando adecuada para el
alcance y complejidad del proyecto, en fase de prototipo.
Fig. 6. Ensayo de contraste del SOD con un contador digital de tiempo
patrón.
B. Error de Instrumental del SOD
En la Fig. 7 se muestra la curva de error absoluto (E
abs
)
obtenida a partir del ensayo de contraste realizado con el
contador digital de tiempo como instrumento patrón,
presentado en la Sección II-E. Dicha curva permite conocer
el error que se presenta en la medición para cada valor de
tiempo medido (t
m
). En el tiempo 0 el E
abs
corresponde a 4
ns. Luego el E
abs
fue de 5 ns con un t
m
de 0,5 μs,
registrándose el mayor valor en 24 ns con un t
m
de 1000 μs.
Para mayor claridad se muestra en la Fig. 8 la curva de error
absoluto en el rango de 0 a 100 µs del t
m
, en la que puede
apreciarse que el E
abs
fue de 6 ns con t
m
entre 5 μs y 10 μs,
para posteriormente mantenerse en el orden de los 7 ns,
hasta los 70 us de t
m
. Luego se observa una tendencia
creciente.
Fig. 7. Ensayo de contraste del SOD. Curva de error absoluto.
SALIDAS DEL SD
CANAL B DEL CONTADOR
CANAL A DEL CONTADOR
CONTADOR DIGITAL
DE TIEMPO
(INSTRUMENTO PATRÓN)
SOD
(INSTRUMENTO A
CONTRASTAR)
.
.
.
.
SOD
SD
out4
out3
out2
out1
out0
CONTADOR
DIGITAL
Patrón
Canal B
Canal A
Ref.
Ref.
Revista elektron, Vol. 9, No. 2, pp. 68-75 (2025)
ISSN 2525-0159
72
http://elektron.fi.uba.ar
Fig. 8. Ensayo de contraste del SOD. Curva de error absoluto en el
rango de 0 a 100 µs de tiempo configurado (tiempo medido).
El mayor error relativo porcentual (𝜀
rel%
) referido al valor
patrón registrado fue del 1 %. Dado que el error anterior es
más representativo de la exactitud en cada punto de la
escala, se calculó el error relativo al fondo de escala (FE)
mediante (3), a fin de establecer una especificación global
de exactitud y que pueda ser comparable a la de otros
instrumentos de calibración similares:
𝜀
relFE%
= (E
abs
/ FE) x 100 (3)
El mayor E
abs
obtenido en el ensayo fue de 24 ns y siendo
el FE igual a 1000 µs se determina una exactitud global
𝜀
relFE%
del orden de 0,0025 % como especificación del
instrumento. En estas condiciones, el SOD podría utilizarse
para contrastar equipos con 𝜀
relFE%
de 0,025 % o superior, en
la variable tiempo.
Un valor orientativo de exactitud para un calibrador de
medidores de VOD puede situarse en el orden del 0,001%
FE, valor que podrá ser mayor o menor, considerando que
pueden encontrarse dispositivos e instrumentos medidores
de VOD de bajo costo [22], [23] y comerciales de media o
alta gama [24], [25], [26]. No obstante, y dado que existen
diferentes métodos de medición de VOD y diferentes
condiciones [27], la especificación tiempo dependerá de las
distancias a ser consideradas y los rangos de VOD a ser
medidos. En este sentido y dada la orientación que posee el
dispositivo desarrollado, sumado a la carencia de soluciones
a nivel nacional, sobre todo en el rango de VOD de
cordones detonantes, se considera una exactitud aceptable,
al menos para la calibración de dispositivos medidores de
VOD de bajo costo relativo o de gama baja/media.
C. Especificaciones Principales
En la Tabla II se resumen las principales especificaciones
técnicas del dispositivo desarrollado. El tiempo máximo
configurable se determinó en función de los requerimientos
del adoptante. Los tiempos a contrastar se sitúan en el rango
de 1 µs a 1000 µs, en equipos medidores de VOD del orden
de los 8000 m/s. Este requerimiento condujo a la decisión
de emplear una FPGA, en la que se alcanzó una resolución
adecuada de 100 ns ± 20 ns, con un reloj de 50 MHz,
mediante el uso de una placa genérica con una FPGA gama
de baja/media. Para el requerimiento planteado, la
resolución en tiempo y la cantidad de canales de salida se
consideran adecuados.
El consumo de corriente verificado y establecido como
especificación fue de 200 mA. Se espera que dicho
consumo pueda ser reducido reemplazando los kits
utilizados por placas de circuito impreso.
TABLA III
SIMULADOR ÓPTICO DE DETONACIÓN – ESPECIFICACIONES PRINCIPALES
Parámetro
Especificación/valor
Dimensiones
Largo: 15,5 cm; Ancho: 18 cm; Alto:
7,7 cm
Alimentación
9 Vcc (conexión fuente conmutada o
batería)
Consumo de corriente
200 mA
Canales de salida
5 conectores de cable de fibra óptica
Tipo de fibra óptica
compatible
Fibra plástica con núcleo de
polimetilmetacrilato (PMMA) de
1000 μm de diámetro y revestimiento
de polímero fluorado de 2,2 mm de
diámetro
Tiempo máximo
configurable
999,9 µs
Resolución de tiempo
100 ns ± 20 ns
Memoria
Capacidad de almacenamiento de 3
ensayos
Exactitud
0,0025% FE
D. Empleo del SOD en el Contraste de un Medidor de VOD
de Cordones Detonantes
En la Figura 9 se muestra el montaje experimental en el
cual se utiliza el SOD (a la izquierda) ahora como
instrumento patrón para la verificación metrológica del
medidor de VOD de cordones detonantes de 5 canales (a la
derecha), que corresponde al instrumento a contrastar,
previamente desarrollado y actualmente en funcionamiento
en una empresa fabricante de cargas explosivas. En la
imagen puede observarse la disposición de las fibras ópticas
que interconectan ambos dispositivos, garantizando la
transmisión de las señales necesarias para realizar el ensayo
de contraste.
Fig. 9. Empleo del SOD (izquierda) para contrastar un medidor de VOD
(derecha).
Fig. 10. Ensayo de contraste de un medidor de VOD – Valores obtenidos.
SOD
VOD
Revista elektron, Vol. 9, No. 2, pp. 68-75 (2025)
ISSN 2525-0159
73
http://elektron.fi.uba.ar
En la Fig. 10 se muestra el procedimiento realizado, en
términos de visualización en display. El procedimiento
experimental se inicia con la programación de los cuatro
intervalos temporales requeridos por el usuario, los cuales
se introducen en el SOD mediante el teclado, estableciendo
así el patrón de tiempos de referencia que deberá medir el
medidor de VOD. Una vez definidos dichos parámetros, se
procede a la ejecución del ensayo, permitiendo la
comparación directa entre las mediciones del instrumento
patrón (tiempo patrón – t
p
) y las del dispositivo bajo prueba
(tiempo medido - t
m
). En el display de la derecha, en la Fig.
10, pueden observarse los valores de t
m
, luego de finalizado
el ensayo. El ensayo se repite para diferentes patrones de
tiempo.
Si se toma como referencia el ensayo anterior, se tienen
los valores indicados en la Tabla III, considerando los
valores de t
m
, los valores de t
p
(valor verdadero
convencional) y el error absoluto en la medición de tiempo
(E
abs
), como resultado de la sustracción entre el valor
medido y el valor patrón. Finalmente se obtiene el error
relativo referido al fondo de escala 𝜀
relFE%
, aplicando (3).
Para este ensayo en particular el error relativo se encuentra
muy por debajo del 1% en todos los casos.
TABLA IIII
RESULTADOS DE ENSAYO DE CONTRASTE DE MEDIDOR DE VOD
t
m
(µs)
t
p
(µs)
E
abs
(µs)
𝜀
relFE%
101,5
100,0
1,5
0,15
200,0
200,0
0
0
110,3
110,3
0
0
280,7
280,8
-0,1
-0,01
IV. DISCUSIÓN
Parte de la premisa inicial planteada por el adoptante fue
desarrollar un sistema de bajo costo relativo frente a equipos
comerciales, manteniendo una confiabilidad aceptable. El
simulador óptico de detonación desarrollado presenta
características distintivas de aquellas que se han reportado
en la literatura, especialmente si se considera el ámbito de
aplicación y las implementaciones basadas en lógica
programable.
La existencia de una alternativa local puede abrir la
posibilidad de reducir costos y tiempos de adquisición para
la industria. Se destaca que el desarrollo ha trascendido el
plano experimental y se encuentra en uso dentro del sector
productivo, sirviendo desde hace más de dos años como
instrumento de contraste de un medidor de VOD, basado en
el método punto a punto, en una empresa fabricante de
cordones detonantes.
No obstante, el SOD requiere aún una caracterización
más exhaustiva de su desempeño bajo diversas condiciones
de ensayo, en particular, en lo que respecta al error relativo
de medición de tiempos que conducen a VOD elevadas, del
orden de los 8000 m/s. Asimismo, su validación se ha
realizado en un entorno productivo específico, lo que
restringe por ahora la generalización de sus resultados a
otros contextos industriales. Sin embargo, el desafío de
medir las VOD en cordones detonantes, que representan
prácticamente las más elevadas del rango en cargas
explosivas industriales, convierte los resultados obtenidos
en un avance promisorio y potencialmente aplicable a otros
escenarios de medición.
La exactitud y precisión en la medición de tiempos de
estos sistemas calibradores depende de diversos factores
entre los cuales se destacan los retardos en diferentes partes
del circuito y sus fluctuaciones y al empleo de fotodiodos
adecuados. En el SOD se han empleado fotodiodos de alta
velocidad, propios de aplicaciones en redes ópticas y se han
realizado ensayos de contraste que permite obtener una
especificación de error cuantificable. Resulta difícil la
comparación directa con sistemas similares al desarrollado,
por su tipo de aplicación y su escasa existencia en el
mercado, además de la heterogeneidad en relación a los
métodos de medición de VOD existentes y los diferentes
rangos de medición. Aun así, la especificación obtenida es
satisfactoria para contrastar el medidor de VOD
previamente desarrollado y ofrece la posibilidad de
extenderse a medidores comerciales de gama baja y media.
Otro de los aspectos a discutir se relaciona con el costo
de fabricación. Los equipos analizados difieren en
arquitectura, método de medición, número de canales,
resolución temporal e interfaz de usuario, lo que dificulta
establecer una relación costo-desempeño homogénea que
pueda servir como base de comparación y posicionamiento
del equipo desarrollado. Mientras algunas soluciones de
medición de VOD incorporan dispositivos adicionales de
calibración [26], configurándose como sistemas de alta
gama con costos elevados, el SOD desarrollado se posiciona
en el segmento de menor costo relativo con un diseño
específico y la ventaja estratégica de sustituir importaciones.
En este sentido, el equipo puede ofrecer un desempeño
técnico adecuado y accesible para la caracterización de la
variable tiempo en la medición de VOD.
Los ensayos de campo han mostrado VOD superiores a
los 7600 m/s, lo que refuerza la necesidad de avanzar hacia
una fase orientada a la construcción de una base de datos
sistemática de contrastes. Este registro permitirá evaluar los
tiempos asociados a dichas velocidades y cuantificar el error
relativo de forma trazable, asegurando la calidad de las
mediciones. Con ello, se busca establecer procedimientos de
contraste y calibración trazables conforme a la normativa
internacional [28], [29], [30].
Finalmente, en la etapa de consolidación del SOD como
producto se proponen mejoras que pueden resultar clave:
sustituir los kits de desarrollo por placas de circuito impreso,
describir en VHDL los módulos de verificación para
disponer de un testbench que permita la verificación
funcional automatizada, evaluar la incorporación de un
dígito adicional en la lectura de tiempo, con el objetivo de
aumentar la resolución y, finalmente, avanzar hacia una
calibración trazable.
V. CONCLUSIONES
Se desarrolló un simulador óptico de detonación que
permite simular las condiciones de una onda de choque que
se produce al detonar un cordón detonante. El dispositivo
permite generar un patrón de tiempos en el que se producen
los pulsos de luz, a requerimiento del usuario del equipo.
El dispositivo se utiliza actualmente como instrumento
para realizar el contraste de un medidor de VOD de
cordones detonantes, considerando tiempos en el rango de 5
μs a 999 μs, presentando una exactitud aceptable.
Revista elektron, Vol. 9, No. 2, pp. 68-75 (2025)
ISSN 2525-0159
74
http://elektron.fi.uba.ar
El diseño del hardware realizado permite la escalabilidad
del sistema para ampliar, de ser necesario, la cantidad de
canales, reutilizando la descripción del hardware realizada.
En términos de posicionamiento, el desarrollo constituye
un aporte al ámbito tecnológico nacional, dado que la
mayoría de los equipos disponibles en el mercado son
importados y comercializados a través de proveedores
internacionales.
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.
REFERENCIAS
[1] E. Thompson Brantson, T.F. Appiah, I. Alhassan, G.M. Dzomeku,
E.O. Boateng, B. Takyi, S. Sibil, E.K. Duodu and A.K. Kobi, “A
comprehensive review of traditional, modern and advanced presplit
drilling and blasting in the mining and construction industries,”
Journal of Petroleum and Mining Engineering, vol. 25, no. 2, pp. 7-
97, March 2024, https://doi.org/10.21608/jpme.2024.208017.1161
[2] J. Yernaidu, V.K. Patel and A.K. Tripathi, “An overview of
explosive energy utilization in mining,” International Research
Journal of Engineering and Technology, vol. 9, no. 6, pp. 1110-1112,
June 2022.
[3] R. Domotor, “Controlled blasting for civil construction in an urban
environment,” Explo Conference, Melbourne, Australia, Nov. 2011,
pp.107-118.
[4] S. Saran, A.K. Bal and M.K. Jha, “Comparative study of confined
velocity of detonation (VOD) of ANFO & SME-A case study,”
Minetech, vol. 42, no. 1, pp. 7-13, Jan-March 2021.
[5] S.V. Khokhlov, Yu. I. Vinogradov, V.A. Makkoev and Z.A.Abiyev,
“Effect of explosive detonation velocity on the degree of rock pre-
fracturing during blasting,” Mining Science and Technology. Vol. 9,
no. 2 pp. 85-96, 2014. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2023-11-
177
[6] K. Podoliak, “The evolution of detonator,” Dyno Consult, New
Leader’s Conference, Dyno Nobel, Apr. 2004. Available at:
https://oldcooperriverbridge.org/docs/dyno_nobel_shock_tube.pdf
[7] F. Sumiya and Y. Kato, “A study on smooth blasting technique
using detonating cords,” Sci. Tech. Energetic Materials, vol. 68, no.
6, pp. 167-171, 2007.
[8] V. Bacauanu, “High energy materials,” MacMillan Research Group,
Group Meeting, July 2019.
[9] M.X. Zhang, P.E. Eaton and R. Gilardi, “Hepta- and
octanitrocubanes,” Angewandte Chemie International, Vol. 39, no. 2,
pp. 401-404, Jan 2000.
[10] A. Hawass and T.a Elshenawy, “Safety and performance for
different high explosives in oil mining industry,” International
Journal of Industry and Sustainable Development, Vol. 4, no. 1, pp.
90-95, June 2023.
[11] G. Liu, “Microstructure and mechanical properties of tin-based
alloys for miniature detonating cords,”. Doctoral Thesis, College of
Engineering, Design and Physical Sciences, Brunel University
London, United Kingdom, 2019.
[12] C.A. Zúñiga-Arrobo, C.A. Rojas-Villacís, C.D. Rosero-Padilla, L.G.
Fernández-Suárez, J.P. Idrovo-Palomeque, “Velocidad de
detonación del explosivo, vibración y ruido en pequeña minería
subterránea, Zaruma – Ecuador,” FIGEMPA: Investigación y
Desarrollo, Vol. 17, no. 1, pp. 26-42, 2024.
https://doi.org/10.29166/revfig.v17i1.4634
[13] J. Pooley, E. Price, J.W. Ferguson and M. Ibsen, “Optimised chirped
fibre bragg Gratings for detonation velocity measurements,” Sensors,
Vol. 19, pp. 2-15, July 2019. https://doi.org/ doi:10.3390/s19153333
[14] P. Rae, “Determining velocity of detonation using high-resolution
time domain reflectometry,” Review of Scientific Instruments, vol.
90, no. 8, pp. -7, Aug. 2019. https://doi.org/ doi:10.1063/1.5100750
[15] Y. Barbarin, A. Lefrançois, V. Chuzeville, S. Magne, L. Jacquet, T.
Elia, K. Woirin, C. Collet, A. Osmont and J. Luc, “Development of
a shock and detonation velocity measurement system using chirped
fiber bragg gratings,” Sensors, vol. 20, no. 4, pp. 1-30, 2020.
https://doi.org/10.3390/s20041026
[16] S.R. Rossi, R.J. de la Vega and F.E. Déber, “Sistema basado en
FPGA para la medición de velocidad de detonación en cordones
detonantes,” Revista Elektron - UBA, vol. 8, no. 2, pp. 54-60, Dic.
2024, https://doi.org/10.37537/rev.elektron.8.2.198.2024
[17] M. Dobrilović, V. Bohanek, V. Škrlec, S. Stanković and I.
Dobrilović, “Velocity of detonation measuring device calibration
method” Proc. of 11th Int. Carpathian Control Conference, Eger,
Hungary, May 26-28, 2010. pp. 285-288.
[18] D. Kuhinek, T. Bratko, H. Vukošić and I. Gavranić, “Development
of a reference device for the calibration of optical one-shot time-
interval measurements,” Electronics, vol. 12, no. 439, pp. 1-14, Jan.
2023. https://doi.org/10.3390/electronics12020439
[19] J. Pooley, “Fibre optic methods for measuring detonation velocity,”
Doctoral Thesis, University of Southampton, United Kingdom, 2019,
127 pp.
[20] Altera Corporation, Cyclone II Device Handbook, vol. 1, San Jose,
CA, USA: Altera, 2007.
[21] Fluke Corporation, Programmable Time/Counter PM6666
Operators Manual, Almelo, The Netherlands: Fluke, 1996.
[22] E. M. Chan, V. Lee, S. P. Mickan, and P. J. Davies "Low-cost
optoelectronic devices to measure velocity of detonation", Proc. of
SPIE 5649, Smart Structures, Devices, and Systems II, 2005, pp.
586-594. https://doi.org/10.1117/12.582232
[23] E. Cámara-Zapata, A. Arumi-Casanovas, J. Bonet-Dalmau, M.
Bascompta, and L. Sanmiquel, “Arduino-based low-cost device for
the measurement of detonation times in blasting caps,” Sensors, vol.
23, no. 14, pp. 6534, 2023. https://doi.org/10.3390/s23146534
[24] MREL – Group of Companies. [Online]. Available:
https://mrel.com/
[25] Digital Automation & Control S.A (DIACSA). [Online]. Available:
https://diacsa.com/cronex.html
[26] Uttam Blastech. The Mining & Excavation Experts. [Online].
Available: https://uttamblastech.com/products_services/vod-meter-
delay-timer
[27] D. Tete, A. Y. Deshmunkh and R. R. Yerpude, “Velocity of
detonation (VOD) measurement techniques practical approach,”
International Journal of Engineering and Technology, vol. 2, no. 3,
pp. 259-265, Jun. 2013. https://doi.org/10.14419/ijet.v2i3.1023
[28] D. F. Zamora Blandón, D. C. Cárdenas Marulanda, M. Hincapie
Quinchia, D. Z. Ramírez Marín, C. Pérez Muñoz, “Calidad y
metrología: importancia y herramientas para el sector productivo,”
Revista Grindaa – Ciencia, Tecnología e Innovación, vol. 2, pp. 97-
121, nov. 2020.
[29] O. Cedeño Tamayo, “Introducción a la gestión metrológica,”
Informador Técnico (Colombia), Ed. 75, pp. 47-52, 2011.
[30] Instituto Nacional de Tecnología Industrial, “Metrología y calidad”,
[en línea]. Disponible en: https://www.inti.gob.ar/areas/metrologia-
y-calidad. [Accedido: 26-ago-2025].
Revista elektron, Vol. 9, No. 2, pp. 68-75 (2025)
ISSN 2525-0159
75
http://elektron.fi.uba.ar
Enlaces de Referencia
- Por el momento, no existen enlaces de referencia
Copyright (c) 2025 Silvano Renato Rossi, Matias Rubén Simonet Faraldo, Roberto Juan de la Vega, Franco Emanuel Déber, ROBERTO CÉSAR CÉSAR LEEGSTRA
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
Revista elektron, ISSN-L 2525-0159
Facultad de Ingeniería. Universidad de Buenos Aires
Paseo Colón 850, 3er piso
C1063ACV - Buenos Aires - Argentina
revista.elektron@fi.uba.ar
+54 (11) 528-50889