Подводный разъемный соединитель

Авторы патента:


 

Полезная модель относится к средствам, обеспечивающим обмен информацией устройств, работающих под водой. Соединитель состоит из двух идентичных частей, механически сочленяемых друг с другом. Каждая из частей состоит из корпуса и электронного модуля. Корпус соединителя выполнен в виде стакана, в котором размещен гидроакустический преобразователь. Рабочая поверхность гидроакустического преобразователя обращена в открытую часть корпуса. Через днище корпуса выведен провод, который заканчивается герметичным соединителем типа «вилка» или «розетка» для соединения с электронным модулем, который располагается на внешнем устройстве. Электронный модуль размещается на внешнем устройстве и содержит генератор несущей частоты, ОФМ-модулятор, усилитель мощности, ОФМ-демодулятор, коммутатор приема передачи и два буфера памяти. Электронный модуль соединяется с источником/приемником цифровой информации внешнего устройства Одна часть соединителя присоединяется к датчику информации, который предназначен для установки в акватории. При необходимости снятия информации с датчика корпус второй часть соединителя в воздухе электрически присоединяется к электронному модулю соединителя, расположенному среди снаряжения водолаза (подводного аппарата). Водолаз спускается к датчику, присоединяет корпус своей части соединителя к части соединителя, находящейся на подводном датчике. Передача информации осуществляется по акустическому каналу. Предлагаемый соединитель дает возможность передачи/приема в подводном положении различных видов цифровой информации, в том числе видеоинформации

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.

Части соединителя состоят из корпуса 11,2, гидроакустического преобразователя 21,2) и электронного модуля (фиг. 1). В состав электронного модуля 31,2 (фиг. 2) входят первый буфер 41,2 , цифровых данных (Б1), модулятор 51,2 относительной фазовой манипуляции (ОФМ-М), генератор 61,2 несущей частоты (ГНЧ), усилитель 71,2 мощности (УМ), коммутатор 81,2 приема/передачи (КПП), второй буфер 91,2 цифровых данных (Б2) и демодулятор 101,2 относительной фазовой манипуляции (ОФМ-Д).

Из электронных модулей 31,2 выведены три соединительных провода 111,2 , 121,2, 131,2 для обеспечения электрического соединения с внешним устройством. Источник электропитания на фиг. 1, 2 не показан.

На фиг. 2 ГАП 21,2 электрически соединен с обратимым входом/выходом КПП 81,2 , первый вход КПП 81,2 соединен с выходом УМ 7 1,2, а управляющий вход КПП 81,2 и управляющий вход ГНЧ 61,2 соединены вторым соединительным проводом 121,2, с внешним устройством. Выход ГНЧ 61,2 электрически соединен с первым входом ОФМ-М 51,2, второй вход которого соединен первым соединительным проводом 111,2 с внешним устройством, а выход ОФМ-М 51,2 - с входом УМ 71,2. Выход КПП 81,2 электрически соединен с входом ОФМ-Д 101,2, а его выход соединен третьим соединительным проводом 131,2 с внешним устройством.

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 21,2 с электронным блоком 31,2 (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.

Гидроакустический преобразователь 2 1,2) предназначен для преобразования электрической энергии в энергию механических (акустических) колебаний и наоборот, энергии акустических колебаний в энергию электрических колебаний, т.е. является обратимым. Коммутатор 81,2 приема-передачи (КПП), управляемый внешним устройством, служит для переключения схемы из режима приема сигналов в режим передача. Генератор 6 1,2 несущей частоты (ГНЧ) по сигналу от внешнего устройства формирует опорный сигнал. Буфера Б1 41,2 и Б2 9 1,2 являются устройствами памяти, в которые передаются (первый буфер Б1) из внешнего устройства или извлекаются (второй буфер Б2) во внешнее устройство цифровые данные.

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 «» (180°), чему соответствуют значения «0» или «1». В ОФМ-М 51,2 сигнал несущей частоты, формируемой ГНЧ 61,2, манипулируется по фазе и передается в аналоговом виде в УМ. В ОФМ-Д 101,2 происходит обратный процесс: манипулированный сигнал с высокочастотной несущей преобразуется в последовательность символов, соответствующей «перескоку» фазы в принятом из КПП 81,2 сигнале.

Расстояние между рабочей поверхностью ГАП 21,2 и открытым торцом корпуса 11,2 (см. фиг. 1) выбирается таким образом, чтобы не существовало стоячей волны между рабочими поверхностями ГАП 21 и ГАП 22, 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.

На внешних частях корпусов 11 и 12 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.

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 31,2 соединителя и электрически соединить с соответствующими блоками снаряжения водолаза. При подготовке водолаза к спуску корпус 11,2 соединителя с находящимся в корпусе ГАП 21,2 электрически соединяют с электронным модулем 31,2 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.

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 81, переводящий КПП 81 в режим прохождения сигнала от УМ 71 к ГАП 21 (излучение), а также запускающий ГНЧ 6 1. Манипулированный по фазе сигнал излучается в воду с помощью ГАП 21. В отсутствие управляющего сигнала КПП 81 возвращается в режим приема.

Сигнал, излученный ГАП 21, расположенным в корпусе 11 части подводного разъемного соединителя водолаза, принимается ГАП 22, расположенным в корпусе 12 части подводного разъемного соединителя датчика информации. Далее сигнал через КПП 82, который в исходном положении переключен на прием, поступает на вход ОФМ-Д 102, где выделяется огибающая в цифровом формате, и далее через буфер Б2 92 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 122 запускает ГНЧ 62 соединителя, расположенного на датчике, и одновременно переключает КПП 8 2 в положение на излучение. Источник цифрового сигнала датчика по первому соединительному проводу 112 передает информационный сигнал в цифровой форме через буфер Б1 42 на второй вход ОФМ-М 52, где этот сигнал смешивается с опорным сигналом несущей частоты от ГНЧ 62, поступающим на первый вход ОФМ-М 52. С выхода ОФМ-М 52 модулированный сигнал, после усиления в УМ 72, уже в аналоговом виде через КПП 82 поступает на ГАП 2 2, преобразуется в сигнал акустических колебаний и излучается. Конец информационной посылки, дублированный в устройство управления датчика, переводит КПП 82 в исходное состояние (прием).

Сигнал, излученный ГАП 22, принимается ГАП 21, расположенным в части соединителя водолаза, через КПП 81, который переключен на прием, поступает на вход ОФМ-Д 101. В ОФМ-Д 101 выделяется огибающая модулированного сигнала, содержащая информационный сигнал датчика информации; этот сигнал через буфер Б2 91 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

Подводный разъемный соединитель, состоящий из двух идентичных механически сочленяемых друг с другом частей, при этом в каждой части имеются корпус, выполненный в виде стакана с размещенным в нем гидроакустическим преобразователем (ГАП) и электронный модуль, 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, отличающийся тем, что 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 -Д и Б2 соединен с входом внешнего устройства третьим соединительным проводом, при этом обратимый вход/выход КПП и соединяющий его с ГАП провод, выведенный через днище корпуса, заканчиваются герметичными соединителями типа "вилка" или "розетка".

РИСУНКИ



 

Похожие патенты:
Наверх