ПОДВОДНЫЙ РАЗЪЕМНЫЙ СОЕДИНИТЕЛЬ

Полезная модель относится к средствам, обеспечивающим обмен информацией устройств, работающих под водой.
При необходимости обмена информацией между устройствами различного назначения, находящимися в водной среде, возникает проблема выбора способа передачи информации. Могут быть принципиально реализованы два способа: прямого контакта между абонентами (подключение друг к другу), когда необходимо решать проблемы осуществления электрического контакта в условиях водной (электропроводящей) среды, и дистанционной передачи информации, когда абоненты разнесены в пространстве, в том числе и на значительное расстояние.
Предлагаемая полезная модель предназначена для реализации первого способа. Второй способ требует обеспечения связи между абонентами по гидроакустическому каналу, является достаточно сложным и обладает ограниченными возможностями по скорости передачи информации, а также подвержен сильному влиянию условий распространения акустических волн в водной среде.
Известны способы и реализующие эти способы устройства, которые позволяют осуществить непосредственный контакт между абонентами с целью передачи информации. В полезной модели [1] предложен соединитель, который обеспечивает надежное электрическое соединение в подводных условиях, но осуществить такое соединение можно лишь вне водной среды. В патенте [2] подводный соединитель состоит из двух частей, в каждой из которых имеется дополнительная аппаратура, но само соединение осуществляется с помощью кабеля и выполнить такое соединение в воде невозможно. В патенте [3] предложено бесконтактное, т.е. без электрического контакта, соединение; связь осуществляется через электромагнитное поле, по типу трансформатора, обмотки которого разнесены в разные части соединителя. Однако, в целом соединение должно быть неразъемным, в подводных условиях невозможно отключать или подключать друг к другу взаимодействующие устройства. В патенте [4] также предложено осуществлять связь между абонентами по электромагнитному полю, но в качестве магнитопровода используется металлическая шина, а магнитопровод образуется, когда осуществляется замыкание между частями соединителя по типу вилка/розетка. При работе в водной среде контактные гнезда окисляются, загрязняются, что ухудшает электрический контакт и замкнутость магнитопровода. Кроме того, в устройствах по патентам [3, 4] передача электромагнитной энергии между катушками, расположенными на расстоянии, требует значительных по величине уровней тока, поэтому существенно возрастают требования к источникам электропитания
Наиболее близким к предлагаемому устройству техническим решением по техническим и функциональным характеристикам является «Подводный разъемный соединитель», предложенный в патенте [5]. Это устройство принято за прототип.
Подводный разъемный соединитель-прототип [5] предназначен для передачи между внешними устройствами информации в аналоговой форме. Соединитель-прототип состоит из двух идентичных частей, эти части соединителя устанавливаются на объектах, которые являются источниками информации. Корпус каждой из частей соединителя-прототипа выполнен в виде полого токопроводящего стакана, разделенного на два отсека, один из которых является герметичным и в нем размещен электронный модуль. В другом отсеке размещен гидроакустический преобразователь, обращенный в открытую часть корпуса. Связь между частями соединителя осуществляется по акустическому каналу, без непосредственного электрического контакта, что отличает устройство-прототип от аналогов [2-4]. Подводный разъемный соединитель-прототип позволяет оперативно реализовать соединение между абонентами под водой, осуществить передачу/прием информации, а затем оперативно разъединиться.
Недостатком подводного разъемного соединителя-прототипа [5] является то. что он может передавать информацию только в аналоговой форме, что значительно ограничивает возможности обеспечения работы с современными устройствами, которые, в основном, являются цифровыми.
Задачей заявляемой полезной модели является обеспечение оперативного соединения двух устройств в условиях водной среды для передачи массивов информации в цифровом виде.
Техническими результатами предлагаемого устройства являются:
- возможность осуществления связи между современными цифровыми устройствами;
- обеспечение взаимодействия широкого класса устройств, использующих современные технологии записи, хранения и передачи информации, представленной цифровыми массивами произвольного объема;
- расширение номенклатуры принимаемой информации, в том числе возможность принимать видеоинформацию;
- обеспечение высокой скорость передачи информации;
- увеличение помехоустойчивости и уменьшение энергопотребления соединителя по сравнению с прототипом и аналогами;
- обеспечение поочередного подключения в условиях водной среды одного устройства к нескольким различным подводным источникам информации.
- возможность реализовать съем информации по произвольному расписанию, в том числе и через длительные периоды.
Для достижения заявляемых технических результатов в подводный разъемный соединитель, состоящий из двух идентичных механически сочленяемых друг с другом частей, в каждой из которых имеются:
- корпус, выполненный в виде стакана с размещенным в нем гидроакустическим преобразователем (ГАП), причем рабочая поверхность ГАП обращена в открытую сторону корпуса, а его нерабочая поверхность обращена в сторону днища корпуса, ГАП установлен таким образом, что стенки открытой части корпуса выступают за рабочую поверхность ГАП, а между рабочими поверхностями двух ГАП при сочлененном рабочем положении обеих частей соединителя находится вода;
- электронный модуль, соединенный с внешним устройством первым, вторым и третьим соединительными проводами, содержит коммутатор приема/передачи (КПП), генератор несущей частоты (ГНЧ) и усилитель мощности (УМ), выход УМ соединен с входом КПП, а управляющие входы ГНЧ и КПП соединены с внешним устройством вторым соединительным проводом,
введены новые признаки:
- электронный модуль каждой части соединителя размещен во внешнем устройстве и в
- электронный модуль каждой части введены первый буфер (Б1) цифровых данных, ОФМ-модулятор (ОФМ-М), ОФМ-демодулятор (ОФМ-Д) и второй буфер (Б2) цифровых данных, при этом вход Б1 соединен с выходом внешнего устройства первым соединительным проводом, а его выход - с первым входом ОФМ-М, выход ГНЧ соединен с вторым входом ОФМ-М, выход ОФМ-М соединен с входом УМ, выход КПП через ОФМ-Д и Б2 соединен с входом внешнего устройства третьим соединительным проводом;
- обратимый вход/выход КПП и соединяющий его с ГАП провод, выведенный через днище корпуса, заканчиваются герметичными соединителями типа «вилка» или «розетка».
В предлагаемом устройстве
- реализуется взаимодействие устройств, использующих цифровые технологии передачи информации;
- обеспечивается возможность оптимального выбора расположения электронного блока соединителя во внешнем устройстве;
- источник электропитания блоков соединителя включается в системы электропитания внешнего устройства, на котором устанавливаются части соединителя.
Введение новых блоков и связей в предлагаемое устройство обеспечивает заявленные технические результаты, состоящие в возможности бесконтактной передачи информации в цифровом формате.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1, 2. На фиг. 1 показан принцип работы заявляемого соединителя. На фиг. 2 представлена функциональная схема одной части заявляемого соединителя.
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
Части соединителя состоят из корпуса 1, гидроакустического преобразователя 2 (ГΑΠ) и электронного модуля (фиг. 1). В состав электронного модуля 3 (фиг. 2) входят первый буфер 4, цифровых данных (Б1), модулятор 5 относительной фазовой манипуляции (ОФМ-М), генератор 6 несущей частоты (ГНЧ), усилитель 7 мощности (УМ), коммутатор 8 приема/передачи (КПП), второй буфер 9 цифровых данных (Б2) и демодулятор 10 относительной фазовой манипуляции (ОФМ-Д).
1,2
1,2
1,2
1,2
Из электронных модулей 3 выведены три соединительных провода 11, 12, 13 для обеспечения электрического соединения с внешним устройством. Источник электропитания на фиг. 1, 2 не показан.
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
На фиг. 2 ГАП 2 электрически соединен с обратимым входом/выходом КПП 8, первый вход КПП 8 соединен с выходом УМ 7, а управляющий вход КПП 8 и управляющий вход ГНЧ 6 соединены вторым соединительным проводом 12, с внешним устройством. Выход ГНЧ 6 электрически соединен с первым входом ОФМ-М 5, второй вход которого соединен первым соединительным проводом 11 с внешним устройством, а выход ОФМ-М 5 - с входом УМ 7. Выход КПП 8 электрически соединен с входом ОФМ-Д 10, а его выход соединен третьим соединительным проводом 13 с внешним устройством.
1,2
1,2
Подводный разъемный соединитель состоит из известных по конструкции и принципу работы устройств. Вопросы, связанные с конструкциями гидроакустических преобразователей изложены в [6]. Один из типов герметичных соединителей для обеспечения электрического соединения ГАП 2 с электронным блоком 3 (непосредственное соединение выполняется вне водной среды, а после соединения обеспечивается герметичность для работы в водной среде) описан в патенте [1].
Принцип относительной фазовой манипуляции (ОФМ), используемый в различных системах связи, описан в [7, 8], остальные устройства, входящие в состав предлагаемого соединителя, описаны в литературе по радиотехническим системам.
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
Гидроакустический преобразователь 2 (ГΑΠ) предназначен для преобразования электрической энергии в энергию механических (акустических) колебаний и наоборот, энергии акустических колебаний в энергию электрических колебаний, т.е. является обратимым. Коммутатор 8 приема-передачи (КПП), управляемый внешним устройством, служит для переключения схемы из режима приема сигналов в режим передача. Генератор 6 несущей частоты (ГНЧ) по сигналу от внешнего устройства формирует опорный сигнал. Буфера Б1 4 и Б2 9 являются устройствами памяти, в которые передаются (первый буфер Б1) из внешнего устройства или извлекаются (второй буфер Б2) во внешнее устройство цифровые данные.
1,2
1,2
1,2
1,2
Метод относительной фазовой манипуляции относится к обработке цифровой информации и его сущность сводится к перекодированию передаваемой последовательности символов. Информация заключена в разности фаз текущего элемента и предыдущего элемента передаваемой последовательности. В двоичной системе эта разность будет иметь значения «0» или «π» (180°), чему соответствуют значения «0» или «1». В ОФМ-М 5 сигнал несущей частоты, формируемой ГНЧ 6, манипулируется по фазе и передается в аналоговом виде в УМ. В ОФМ-Д 10 происходит обратный процесс: манипулированный сигнал с высокочастотной несущей преобразуется в последовательность символов, соответствующей «перескоку» фазы в принятом из КПП 8 сигнале.
1,2
1,2
1
2
Расстояние между рабочей поверхностью ГАП 2 и открытым торцом корпуса 1 (см. фиг. 1) выбирается таким образом, чтобы не существовало стоячей волны между рабочими поверхностями ГАП 2 и ГАП 2, входящих в один соединитель в его рабочем (сочлененном) положении.
Электронные блоки каждой из частей соединителя, размещенные внутри внешнего устройства, могут быть выполнены в виде отдельного блока или в виде платы одного из выходных блоков внешнего устройства.
Источник электропитания, не показанный на фиг. 1, 2, находится во внешних устройствах.
1
2
На внешних частях корпусов 1 и 1 каждой из частей подводного разъемного соединителя должны быть смонтированы устройства фиксации (не показаны на фиг. 1), возможный вариант исполнения механической фиксации представлен в [5].
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Пусть необходимо снять показания датчика, установленного (находящегося) в акватории для мониторинга физических полей или подводной обстановки. Перед установкой датчика в акватории одну из частей предлагаемого соединителя в воздухе электрически соединяют с датчиком информации с помощью герметичного соединителя (например, типа описанного в [1]). Датчик должен иметь в своих выходных устройствах, сопрягаемых с заявляемым подводным разъемным соединителем, каскады, которые обеспечивают прием информации через соединитель и передачу необходимой информации через соединитель.
1,2
1,2
1,2
1,2
При необходимости снятия информации с подводного датчика к этому датчику спускают водолаза (или подводный аппарат). В снаряжении водолаза должно иметься устройство, которое сопрягается с заявляемым соединителем и обеспечивает возможность обмена информацией с датчиком, установленным в акватории. В состав снаряжения водолаза необходимо включить также электронный модуль 3 соединителя и электрически соединить с соответствующими блоками снаряжения водолаза. При подготовке водолаза к спуску корпус 1 соединителя с находящимся в корпусе ГАП 2 электрически соединяют с электронным модулем 3 соединителя герметичным разъемом. После такой подготовки водолаз направляется к датчику, присоединяет и фиксирует имеющуюся у него часть соединителя к части соединителя на датчике с помощью устройств фиксации.
В исходном положении аппаратура обеих частей подводного разъемного соединителя находится в режиме приема. Процесс обмена информацией состоит из трех этапов:
- активизация выходных устройств датчика информации;
- передача информации от датчика водолазу;
- возвращение в исходное состояние.
1
1
1
1
1
1
1
Будем считать, что индекс «1» относится к части разъемного соединителя, находящейся у водолаза, а индекс «2» - к части разъемного соединителя, находящейся у датчика информации, находящегося под водой. После механического соединения обеих частей подводного соединителя водолаз включает устройство управления (см. фиг. 2), из которого посылается управляющий сигнал на КПП 8, переводящий КПП 8 в режим прохождения сигнала от УМ 7 к ГАП 2 (излучение), а также запускающий ГНЧ 6. Манипулированный по фазе сигнал излучается в воду с помощью ГАП 2. В отсутствие управляющего сигнала КПП 8 возвращается в режим приема.
1
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Сигнал, излученный ГАП 2, расположенным в корпусе 1 части подводного разъемного соединителя водолаза, принимается ГАП 22, расположенным в корпусе 1 части подводного разъемного соединителя датчика информации. Далее сигнал через КПП 8, который в исходном положении переключен на прием, поступает на вход ОФМ-Д 10, где выделяется огибающая в цифровом формате, и далее через буфер Б2 9 на приемник цифрового сигнала датчика информации (внешнее устройство). Принятый датчиком сигнал свидетельствует о необходимости передачи информации от датчика на другое устройство (водолазу). Управляющий сигнал от устройства управления датчика по второму соединительному проводу 12 запускает ГНЧ 6 соединителя, расположенного на датчике, и одновременно переключает КПП 8 в положение на излучение. Источник цифрового сигнала датчика по первому соединительному проводу 11 передает информационный сигнал в цифровой форме через буфер Б1 4 на второй вход ОФМ-М 5, где этот сигнал смешивается с опорным сигналом несущей частоты от ГНЧ 6, поступающим на первый вход ОФМ-М 5. С выхода ОФМ-М 5 модулированный сигнал, после усиления в УМ 7, уже в аналоговом виде через КПП 8 поступает на ГАП 2, преобразуется в сигнал акустических колебаний и излучается. Конец информационной посылки, дублированный в устройство управления датчика, переводит КПП 8 в исходное состояние (прием).
2
1
1
1
1
1
Сигнал, излученный ГАП 2, принимается ГАП 2, расположенным в части соединителя водолаза, через КПП 8, который переключен на прием, поступает на вход ОФМ-Д 10. В ОФМ-Д 10 выделяется огибающая модулированного сигнала, содержащая информационный сигнал датчика информации; этот сигнал через буфер Б2 9 по третьему соединительному проводу передается к приемнику цифрового сигнала, расположенному в аппаратуре водолаза (записывается в устройство памяти).
После окончания сеанса в аппаратуре водолаза должен подаваться сигнал (звуковой, световой), водолаз отсоединяет свою часть разъемного соединителя и переходит к следующему объекту информации или выполняет другие работы.
Определяющим для соединителя является размер активного элемента ГАП. Резонансную частоту целесообразно выбрать в диапазоне 500-600 кГц, при этом полоса пропускания составит ~10% от частоты резонанса. Диаметр ГАП, определяющий габарит корпуса соединителя, будет составлять несколько сантиметров.
Заявленный технический эффект от использования подводного разъемного соединителя обеспечивается при его работе:
а) поскольку передача информации между абонентами осуществляется в цифровом формате,
- повышается скорость и объем передаваемой информации;
- обеспечиваются в течение одного спуска водолаза (подводного аппарата) взаимодействия с различными источниками информации с разделением принятой информации;
- расширяется номенклатура принимаемой информации, в том числе появляется возможность приема видеоинформации;
Предлагаемая полезная модель может быть использована при проведении подводно-технических работ на объектах различного назначения, для оперативной передачи информации между водолазами без выхода на поверхность, для снятия информации от датчиков мониторинга водной и донной среды, потенциально опасных объектов. Подводный разъемный соединитель может быть установлен на судах и кораблях различного назначения, а также на самолетах и вертолетах, чтобы снимать информацию с «черных ящиков» аварийных объектов, находящихся в воде, без вскрытия корпуса.
Предлагаемый соединитель может входить в снаряжение водолаза или быть установлен на манипуляторе подводного аппарата для глубоководных работ.
Источники информации
1. Патент РФ на полезную модель №41915. Герметичный соединитель многожильных кабелей. Публ. 10.11.2004.
2. Патент США №2010183313. Underwater data transfer system. Публ. 22.07.2010
3. Патент Австралии №2011239304. Underwater power connector system and use there of. Публ. 17.05.2012
4. Патент РФ №2419931. Подводный электрический разъем. Публ. 27.05.2011
5. Патент РФ на полезную модель №136246. Подводный разъемный соединитель. Публ. 27.12.2013
6. Справочник по гидроакустике. Л.: Судостроение, 1988 (глава 6, 7)
7. Патент РФ №2408996. Способ демодуляции сигналов относительной фазовой модуляции и устройство для его осуществления. Публ. 10.01.2011.
Прокис Д. Цифровая связь. М.: Радио и связь, 2000