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 патентах [3, 4] 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 патентах [5, 6] 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.
Наиболее близким к предлагаемому устройству техническим решением по техническим и функциональным характеристикам является устройство, названное «Подводный электрический разъем», предложенное в патенте [5]. Это устройство принято за прототип.
Устройство-прототип является разъемным и состоит из двух частей, корпус каждой из которых выполнен в виде полого токопроводящего стакана. Эти части соединителя устанавливаются на объектах, которые являются источниками информации, и электрически соединены с этими источниками информации. В корпус одной из частей соединителя вмонтированы штыри (вилка), электрически соединенные с корпусом, а в корпусе другой части соединителя, установленного на другом объекте-источнике информации, имеются гнезда (розетка). Внутри каждого из корпусов размещены катушки индуктивности, соединенные с источником и приемником сигнала. При необходимости осуществления контакта между абонентами «стаканы» вводят друг в друга, штыри входят в контактные гнезда, и в замкнутом состоянии обе половинки соединителя представляют собой короткозамкнутый виток, через который осуществляется трансформаторная связь между катушками индуктивности.
Устройство-прототип позволяет оперативно реализовать соединение между абонентами под водой, осуществить передачу/прием информации, а затем оперативно разъединиться. При этом контакт осуществляется по электромагнитному полю, проходящему по магнитопроводу.
Устройство-прототип [5] имеет следующие недостатки:
- при работе в морской (или в пресной) воде магнитопровод (штыри - вилка), а также контактные гнезда (розетка) могут окисляться, а также загрязняться, что ухудшает электрический контакт и замкнутость магнитопровода;
- магнитопровод имеет относительно узкую полосу пропускания, что не позволяет передавать высокочастотные сигналы;
- магнитопровод как замкнутый виток подвержен действию электромагнитных помех, что искажает передаваемую информацию;
- поскольку металлический корпус является частью магнитопровода, возникают утечки, уменьшается скрытность передачи информации, возникают помехе работе других устройств;
- передача электромагнитной энергии между катушками, расположенными на расстоянии, требует значительных по величине уровней тока и, соответственно, возрастают требования к источникам электропитания, что является критичным для автономных объектов, работающих от аккумуляторов или батарей.
Задачами заявляемой полезной модели являются
- исключение электрического контакта между сопрягаемыми частями соединителя, позволяющее производить подключение и отключение взаимодействующих устройств под водой;
- расширение полосы пропускания линии связи;
- повышение помехоустойчивости и уменьшение энергопотребления, необходимого для обмена информацией.
Техническими результатами предлагаемого устройства являются:
- отсутствие электрической связи между частями соединителя, что исключает необходимость обеспечения электрического контакта;
- уменьшенное собственное потребление электроэнергии собственно аппаратурой заявленного соединителя;
- защищенность от электромагнитных помех и отсутствие собственного электромагнитного излучения.
Для достижения заявляемых технических результатов в подводный разъемный соединитель, состоящий из двух частей, механически сочленяемых друг с другом, причем в каждой из частей имеется корпус, выполненный в виде стакана, в котором герметично размещен электронный модуль, от которого через днище корпуса герметично выведены соединительные провода, которые заканчиваются герметичными соединителями типа «вилка» или «розетка» для соединения с внешним устройством, введены новые признаки:
- обе части соединителя выполнены идентичными;
- каждая часть соединителя содержит гидроакустический преобразователь (ГАП), а электронный модуль каждой части содержит амплитудный модулятор (АМД), генератор несущей частоты (ГНЧ), усилитель мощности (УМ), амплитудный демодулятор (АДМ) и коммутатор приема передачи (КПП);
- ГАП соединен с обратимым входом/выходом КПП, выход которого соединен с входом АДМ, выход ГНЧ соединен с первым входом АМД, второй вход АМД соединен с внешним устройством первым соединительным проводом, выход АМД соединен через УМ с входом КПП; выход АДМ выведен вторым соединительным проводом, управляющий вход ГНЧ и управляющий вход КПП соединены с внешним устройством третьим соединительным проводом;
- ГАП герметично вмонтирован в корпус, разделяя полость корпуса на два отсека, один из которых герметичный, в котором установлен электронный модуль, а другой - открытый, причем рабочая поверхность ГАП обращена в открытый отсек, а его нерабочая поверхность обращена в герметичный отсек 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.
Введение новых блоков и связей в предлагаемое устройство обеспечивает заявленные технические результаты:
- между отдельными частями заявляемого подводного разъемного соединителя имеется только акустическая (информационная) связь и механическая связь для фиксации частей соединителя друг относительно друга;
- электрический контакт отсутствует, поэтому предлагаемый соединитель не излучает и не воспринимает электромагнитные волны;
- собственное потребление электроэнергии аппаратурой соединителя является незначительным, т.к. обе части соединителя, в основном, находятся в «спящем» режиме, а под нагрузкой - только в период кратковременных сеансов связи;
- полоса информационного сигнала определяется только возможностями ГАП и может быть достаточно широкой [7].
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1, 2. На фиг. 1 представлена функциональная схема одной части заявляемого соединителя (обе части герметичного разъемного соединителя идентичны); на фиг. 2 показан принцип механического соединения обеих частей герметичного разъемного соединителя.
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
Каждая из идентичных частей заявленного соединителя (фиг. 1) состоит из корпуса 1 (на фиг. 1 показан пунктирной линией), гидроакустического преобразователя 2 (ГАП), коммутатора 3 приема-передачи (КПП), амплитудного модулятора 4 (АМД), амплитудного демодулятора 5 (АДМ), усилителя 6 мощности (УМ) и генератора 7 несущей частоты (ГНЧ). Из днища корпуса 1 выведены три соединительных провода 8, 9, 10, заканчивающиеся герметичными соединителями (опущены на фиг. 1) для обеспечения электрического соединения с внешним устройством. АМД, УМ, ГНЧ, КПП и АДМ располагаются в электронных модулях 11 каждой из частей соединителя. Внутри корпуса содержится также источник электропитания, который на фиг. 1 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
ГАП 2 электрически соединен с обратимым входом/выходом КПП 3, первый вход КПП 3 соединен с выходом УМ 6, а управляющий вход КПП 3 и управляющий вход ГНЧ 7 соединены третьим соединительным проводом 10 с внешним устройством. Выход ГНЧ 7 электрически соединен с первым входом АМД 4, второй вход которого соединен вторым соединительным проводом 9 с внешним устройством, а выход АМД 4 - с входом УМ 6. Выход КПП 3 электрически соединен с входом АДМ 5, а его выход соединен первым соединительным проводом 8 с внешним устройством.
Подводный разъемный соединитель состоит из известных по конструкции и принципу работы аналоговых устройств. Вопросы, связанные с конструкциями гидроакустических преобразователей изложены в [7]. Один из типов герметичных соединителей для обеспечения электрического соединения с внешними устройствами (непосредственное соединение выполняется вне водной среды, а после соединения обеспечивается герметичность для работы в водной среде) описан в патенте [1].
Остальные устройства, входящие в состав предлагаемого соединителя, описаны в литературе по радиотехническим системам.
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
Гидроакустический преобразователь 2 (ГАП) предназначен для преобразования электрической энергии в энергию механических (акустических) колебаний и наоборот, энергии акустических колебаний в энергию электрических колебаний, т.е. является обратимым. Коммутатор 3 приема-передачи (КПП), управляемый внешним устройством, служит для переключения схемы из режима приема/передачи сигналов в режим передача/прием. Генератор 7 несущей частоты (ГНЧ) формирует опорный сигнал, который в амплитудном модуляторе 4 (АМД) смешивается с аналоговым (информационным) сигналом от внешнего устройства, при этом на выходе АМД 4 формируется амплитудно-модулированный сигнал, который усиливается усилителем 6 мощности (УМ). В амплитудном демодуляторе 5 (АДМ) происходит выделение огибающей амплитудно-модулированного сигнала, принимаемого ГАП 2 (режим приема), этот сигнал, выделенный АДМ, передается к внешнему приемнику аналогового сигнала.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Конструкция предлагаемого соединителя и принцип механического соединения его обеих частей представлены на фиг. 2. ГАП 2 (2) делит корпус 1 (1) каждой части герметичного разъемного соединителя на два отсека: герметичный отсек 11 (11) и открытый отсек 12 (12). Расстояние между рабочей поверхностью ГАП 2 (2) и открытым торцом корпуса 1 (1) (см. фиг. 2) выбирается таким образом, чтобы не существовало стоячей волны между рабочими поверхностями ГАП 2 и ГАП 2 в рабочем (сочлененном) положении соединителя.
1
2
1
2
1
2
На внешних частях корпусов 1 и 1 каждой из частей герметичного разъемного соединителя смонтированы устройства фиксации 13 (13), 14 (14) обеих частей соединителя в рабочем положении, один из возможных вариантов такой фиксации представлен на фиг. 2.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Пусть необходимо снять показания датчика, установленного в акватории для мониторинга физических полей или подводной обстановки. Перед установкой датчика в заданном месте акватории одну из частей предлагаемого соединителя в воздухе герметично соединяют с датчиком с помощью соединителя (например, типа описанного в [1]). Датчик должен иметь в своих выходных устройствах, сопрягаемых с заявляемым герметичным разъемным соединителем, каскады, которые обеспечивают прием информации через соединитель и передачу необходимой информации через соединитель.
1,2
1,2
При необходимости снятия информации с датчика к датчику спускают водолаза (или подводный аппарат). У водолаза должно иметься устройство, которое сопрягается с заявляемым соединителем, а также обеспечивает возможность обмена информацией с датчиком, установленным в акватории. При подготовке водолаза вторую часть заявляемого герметичного разъемного соединителя электрически соединяют с устройством водолаза герметичным разъемом, после чего водолаз направляется к датчику, присоединяет и фиксирует имеющуюся у него часть соединителя к части соединителя на датчике с помощью устройств фиксации 13, 14.
В исходном положении аппаратура обеих частей герметичного разъемного соединителя находится в режиме приема. Процесс обмена информацией состоит из трех этапов:
- активизация выходных устройств датчика;
- передача информации от датчика водолазу;
- возвращение в исходное состояние.
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.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Водолаз при помощи устройства, входящего в его снаряжение, посылает аналоговый сигнал, который через второй соединительный провод 9 части герметичного разъемного соединителя, находящейся у водолаза, поступает на второй вход АМД 4; одновременно запускается от внешнего устройства управления (аппаратура водолаза) через третий соединительный провод 10 ГНЧ 7, а КПП 3 переводится из исходного режима приема в режим излучения. В АМД 4 формируется модулированный сигнал с несущей, сформированной ГНЧ 7. Этот сигнал усиливается в УМ 6 и через КПП 3 передается на ГАП 2, где преобразуется в сигнал акустических колебаний и излучается. В отсутствие управляющего сигнала КПП 3 возвращается в режим приема.
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Сигнал, излученный ГАП 1 расположенным в части герметичного разъемного соединителя водолаза, принимается ГАП 1, расположенным в части герметичного разъемного соединителя датчика информации. Сигнал с этого ГАП 1 через КПП 3, который в исходном положении переключен на прием, поступает на вход АДМ 5, где детектируется и по второму соединительному проводу 9 поступает на приемник аналогового сигнала датчика информации (внешнее устройство). Принятый датчиком сигнал свидетельствует о необходимости передачи информации от датчика на другое устройство (водолазу). Управляющий сигнал от устройства датчика по третьему соединительному проводу 10 запускает ГНЧ 7 соединителя, расположенного на датчике, и одновременно переключает КПП 3 в положение на излучение. Источник аналогового сигнала датчика по первому соединительному проводу 8 передает информационный сигнал в аналоговой форме на второй вход АМД 4, где этот сигнал смешивается с опорным сигналом несущей частоты от ГНЧ 7, поступающим на первый вход АМД 4. С выхода АМД 4 модулированный сигнал, после усиления в УМ 6, через КПП 3 поступает на ГАП 2, преобразуется в сигнал акустических колебаний и излучается.
2
1
1
1
1
1
Сигнал, излученный ГАП 2, расположенным в части герметичного разъемного соединителя датчика информации, принимается ГАП 2, расположенным в части герметичного разъемного соединителя водолаза, и через КПП 3, который переключен на прием, поступает на вход АДМ 5. В АДМ 5 выделяется огибающая модулированного сигнала, содержащая информационный сигнал датчика информации; этот сигнал через второй соединительный провод 9 передается к приемнику аналогового 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, поскольку:
- передача информации между абонентами осуществляется без электрического контакта между абонентами;
- для передачи требуется незначительное энергопотребление, т.к. основная нагрузка имеет место во время сеанса связи, а в остальное время соединитель находится в ждущем режиме, активирован только АДМ, а КПП «по умолчанию» находится в режиме приема и электроэнергию не потребляет; принципиально при работе соединителя электропитание может осуществляться от внешнего устройства;
- использование акустического канала при передаче информации является устойчивым к помехам электромагнитного происхождения, устройство не излучает электромагнитную энергию, практически (из-за высокой направленности и высокой несущей частоты) не излучает акустическую энергию вне конструкции соединителя, т.е. дополнительно обладает скрытностью.
Конструкция соединителя, в том числе обеспечение акустического контакта, не требует специальных мер, связанных с предотвращением коррозии или загрязнения.
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 экологического мониторинга водной и донной среды, а также потенциально опасных объектов. 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 Китая №102364818A. Deep-sea non-contact electric power transmission packaging structure. Публ. 29.02.2012.
4. Патент Австралии №2011239304. Underwater power connector system and use there of. Публ. 17.05.2012
5. Патент РФ №2419931. Подводный электрический разъем. Публ. 27.05.2011
6. Патент РФ №2393600. Бесконтактный электрический разъем. Публ. 27.06.2010
7. Справочник по гидроакустике. Л. : Судостроение, 1988 (глава 6, 7)