DE10044558A1 - Positionierunempfindliche, verschmutzungstolerante, steckerähnliche Anlegeverbindung mit induktiver Schottdurchführung für Energie- und bidirektionale Datenübertragung in verschiedenen Medien, insbesondere für Langzeitantwendungen in der Tiefsee - Google Patents

Abstract

Zur Übertragung von elektrischer Versorgungsenergie und bidirektionalen Daten wird das Magnetfeld zwischen zwei Ferritschalenkernspulen ausgenutzt, um einen steckerähnlichen, trennbaren Anlegeverbinder zwischen zwei auch unter verschiedenen Umweltbedingungen sich befindenden Baugruppen zu realisieren. An der Trennstelle befindet sich eine flexible, ausstülpbare, hutformähnliche Membran. Die Trennung kann aktiv - ausgelöst durch ein elektrisches Signal - mit Hilfe eines druckfederangetriebenen Stempels vorgenommen oder unterstützt werden. Der Anlegeverbinder kann besonders vorteilhaft im Meer, insbesondere auch in der Tiefsee eingesetzt werden und ist erdacht worden, um u. a. auch die Probleme der Steck- und Trennkräfte, der Verunreinigungen durch Korrosion, Sedimentation und Biofouling zu vermeiden, wie sie bei bisher zur Verfügung stehenden Steckverbindern vorkommen.

Description

Für die Beobachtung der räumlichen und zeitlichen Variationen der Eigenschaften der Was­ sermassen in ausgedehnten ozeanischen Gebieten werden seit langer Zeit in großen Stück­ zahlen verschiedenartige Einwegsensoren benutzt, die von Schiffen und Flugzeugen aus in das Meer geworfen werden und beginnend an der Oberfläche in freiem Fall Meßprofile ver­ schiedener Parameter der Wassersäule liefern. Die so gewonnenen Meßdaten dienen z. B. zu Vorhersagezwecken nach Modellrechnung in Datenzentren.

Für die operationelle Beobachtung sehr großer Ozeangebiete auch in schwer zugänglichen Regionen können darüber hinaus auf dem Meeresboden abgesetzte Plattformen eingesetzt werden, die Magazine einer größeren Anzahl und Auswahl auch verschiedenartiger in ein­ zelne Auftriebskörper eingebauter Einwegsensoren tragen. Die einzelnen Sensoren können gesteuert freigegeben werden und steigen dann auftriebsgetrieben zur Oberfläche auf. Wäh­ rend ihres Aufstiegs messen sie die Wassersäule. An der Oberfläche angekommen werden die gespeicherten Meßdaten über eine Funkstrecke z. B. über Satelliten an die Datenemp­ fangsstationen gesendet. Dabei kann die aufgestiegene Sonde auch anderweitige Daten, die z. B. auf der Bodenstation gewonnen wurden, als Bote mitgenommen und gesendet haben. Meßnetze mit solchen am Boden verankerten Plattformen erlauben z. B. durch Uhren syn­ chronisierte gleichzeitige Sondenaufstiege zur routinemäßigen, kostengünstigen Erfassung der Ausdehnung und Veränderung verschiedenartiger Parameterkonturflächen großer Oze­ angebiete ähnlich der Technik der Observation mit Wetterballonen in der Meteorologie. Das Meßkonzept solcher bodenverankerter Plattformen ist in der Literatur als "EMMA- System" beschrieben (siehe z. B.: Conogan, R. and Guinard, J.-P.: "Observing operationally in situ Ocean water parameters: the EMMA system", OCEANS '98, IEEE Publ. No. 98 CH 36259, Nice, France, Volume 1 (3), 37 . . . 41, (1998), ISBN: 0-7803-5045-6; Guinard, J.-P.: «Procédé et dispositif pour réaliser des profils verticaux de mésures de grandeurs caracteristiques d'une masse d'eau marine», Internat. Pat. Klassifikation: G 01 N 33/18, Internat. Veröffentlichung, No.: WO 96/29597, 26. Sept. 1996).

Der im folgenden mit Anlegeverbindung bezeichnete Erfindungsgegenstand "steckerähnliche Anlegeverbindung mit induktiver Schottdurchführung für Energie- und bidirektionale Daten­ übertragung" stellt ein Verbindungselement zwischen der bodenverankerten Plattform und der einzelnen Aufstiegssonde dar, das bidirektionalen Datenaustausch zwischen den beiden Systemkomponenten Aufstiegssonde und Bodenplattform erlaubt, ebenso wie elektrische Stromversorgung der Sonde aus der Energiequelle der Bodenplattform, sei es für den dau­ ernden oder zeitweisen Betrieb der Sonde während ihrer Verweilzeit an der Bodenplattform, sei es für die Umschaltung oder Aufladung der Bordakkumulatoren der Aufstiegssonde für ihren autonomen Betrieb beim Profilaufnehmen und anschließender Datenfunkübertragung nach Erreichen der Meeresoberfläche.

Fig. 1 skizziert als ein Beispiel in vereinfachter Form für eine einzige Aufstiegssonde einen Anwendungsfall für die Anlegeverbindung:
Ein Haltegestell 1 ist auf dem schraffierten Teil der Bodenplattform 2 fixiert und hält die Auf­ stiegssonde 3 in den verschiedenen Anschlägen 4 in ihrer Lage fest. Im oberen Teil ist bei­ spielhaft ein Meßfühler 5 angedeutet, der mit einer Verschmutzungsschutzvorrichtung 6 ver­ sehen ist. Die Sonde 3 ist im wesentlichen rotationssymmetrisch zur Längsachse und trägt in ihrem unteren Teil eine reagenzglasförmige, dickwandige Verlängerung 7 aus Glas oder glasähnlichem Material mit halbkugelförmigem Abschluß 8, um den Sondeninnenraum mit seiner Elektronik, usw., gegen den hohen hydrostatischen Außendruck in der Tiefsee zu schützen. 7 und 8 gehören zum oberen Teil der Anlegeverbindung. Im linken Teil der Fig. 1 erkennt man, daß das halbkugelförmige Ende 8 in den unteren Teil der Anlegeverbindung 9 hineinragt, der fest an der Bodenplattform 2 montiert und über mehrere elektrische Leitungen 10 mit deren zentraler Stromversorgung und Elektronik verbunden ist. Nach einem Startsig­ nal wird die Schutzvorrichtung 6 zurückgezogen und zur Seite geklappt. Der Halterahmen 1 mit den Anschlägen 4 öffnet sich, und die Aufstiegssonde 3 wird durch ihren Auftrieb zum Auftauchen gebracht, wobei der untere Teil der Anlegeverbindung 9 die Trennung aktiv un­ terstützt durch das Herausdrücken eines flexiblen Diaphragmas 11 in Fig. 1. Dadurch wer­ den auch eventuelle "Verklebungen" durch sedimentierte Teilchen und/oder Bioaktivitäten überwunden.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die Anlegeverbindung, wobei hier beide trennbaren Teile in angelegter Lage gezeichnet sind, wohingegen Schnittzeichnung Fig. 3 die beiden Teile kurz nach ihrer Trennung zeigt. Zur induktiven Übertragung elektrischer Energie und Daten die­ nen die Primärspule 12 mit Ferritschalenkern 13, die sich unter Öl im Druckgleichgewicht mit dem umgebenden Meerwasser befinden und die Sekundärspule 14 mit Ferritschalenkern 15, die sich im druckgeschützten Innenraum des dickwandigen halbkugelförmig abgeschlosse­ nen Glasendgehäuses 8 der Aufstiegssonde befinden. Die beiden Schalenkernspulen sind der sphärischen Gehäuseform entsprechend angepaßt, um besten magnetischen Kopp­ lungsgrad zu erhalten. Das flexible Diaphragma 11 dient zur dauerhaften Trennung der Öl­ flüssigkeit vom Meerwasser und ist ähnlich einer Hutmembran mit vergleichbaren Eigen­ schaften einer Rollmembran ausgeführt. Durch die zentrale Bohrung des Primärspulenkerns wird ein als Hohlrohr ausgeführter Stempel 16 geführt, der über einen Auflageteller 17 gegen das Diaphragma 11 und das Glasgehäuse 8 mit Hilfe der Druckfeder 18 gedrückt werden kann. An den beiden Enden des Stempelrohres sind Radialbohrungen angebracht, durch die der Ölausgleich beim Ausdrücken oder Einstülpen des Diaphragmas erfolgen kann. Am un­ teren Ende des Stempels 16 ist eine Ausdrehung 19 angebracht, in die die beiden Sperrklin­ ken 20 und 21 einer Halte- und Auslösevorrichtung eingreifen. Die Sperrklinken 20, 21 befin­ den sich an den Hebeln 22, 23, die sich in den Lagern 24, 25 drehen können. An ihren unte­ ren Enden sind die beiden drehbaren Walzen 26, 27 gelagert, die auf dem kurzen zylindri­ schen Schaft des Ankers 30 seines Topfmagneten 29 leicht rollen können. Durch einen e­ lektrischen Strom durch die Spule 28 wird der Anker 30 angezogen. Nach kurzem Weg gera­ ten die Walzen 26, 27 auf die Kegelfläche des Zapfens des Ankers 30, wobei sich die Hebel 22, 23 spreizen, den federvorgespannten Stempel 16 freigeben und der Abdrückvorgang der Aufstiegssonde beginnt. Die gesamte Antriebsmechanik befindet sich unter Öl, abgeschlos­ sen mit dem flexiblen Faltenbalg 31, dessen Hubbewegung sich aus der Stempelbewegung und zugehörigem Ölvolumenausgleich ergibt. Durch geeignete Wahl der Abmessungen der Ölausgleichswege, der Ölviskosität und der Federvorspannung läßt sich der Ausstülpvor­ gang des Diaphragmas bzw. das Trennverhalten der Anlegeverbindung in weiten Grenzen beeinflussen.

Die Stromversorgung des Auslösehubmagneten erfolgt z. B. über Gehäusemasse und eine 1- polige Stromkabeldurchführung durch den Absatz bei 32 im Metallgehäuse vom Ölinnen­ raum in den unter gleichem Druck stehenden Meerwasseraußenraum zu einer elektrischen Hochdruckdurchführung in der Bodenplattform. Durch eine 2-polige hochdruckfeste elektri­ sche Durchführung 33 wird die Primärspule 12 mit der druckgeschützt eingebauten Schal­ tungsplatine 34 verbunden. Die 4-polige druckfeste Durchführung 35 dient für elektrische Energieversorgungs- und Datenverbindung mit der Bodenplattform.

Um nach einer Trennung die Anlegeverbindung wieder herzustellen, wird der Stempel 16 gegen die Federspannung zurückgeschoben, dann der Anker 30 hochgedrückt, so daß die Sperrklinken in die Ausdrehung 19 eingreifen. Bevor der Anker losgelassen wird, wird der Stempel entlastet, so daß der Anker über den ggfs. leicht konisch ausgeführten Zapfen we­ gen der Aufspreizkraft der Hebel 22, 23 in seiner Lage gehalten wird.

Der Anlegeverbinder ist völlig unabhängig vom Azimuthwinkel der Aufstiegssonde und tole­ riert größere Neigungswinkel δ gemäß Fig. 4 (z. B. bis ca. 25° bei nur moderatem Rückgang des elektrischen Übertragungswirkungsgrades), was im praktischen Einsatz besonders vor­ teilhaft ist.

Das hier zur Beschreibung der steckerähnlichen Anlegeverbindung mit induktiver Schott­ durchführung für Energie- und bidirektionale Datenübertragung gewählte Anwendungsbei­ spiel, dem große praktische Bedeutung zukommt, dient nur als Musterbeispiel. Derartige Anlegeverbinder sind in zahlreichen anderen Gebieten einsetzbar, z. B. bei verschiedenar­ tigsten Unterwasserfahrzeugen, Meßgeräten und Meßsystemen mit sogenannten "add-on" Sensoren oder Komponenten in zahlreichen Bereichen des "Ocean engineering" aber auch in der chemischen Technik in der Nahrungsmitteltechnik in der Medizintechnik, usw. Das hier geschilderte Musterbeispiel befindet sich derzeit in Bearbeitung für den Einsatz op­ tischer Einwegsensoren für höchstpräzise Dichtemessungen. Die Maßstabbalken in den Fig. 1 und 2 geben eine Orientierung zu den Abmessungen. Die praktischen und theoreti­ schen Pilotuntersuchungen der elektrischen und mechanischen Eigenschaften sind durchge­ führt. Die für 7.000 m Wassertiefe ausgelegten Glaswandstärken der druckfesten Gehäuse der Aufstiegssonden bei der angegebenen Geometrie erlauben eine induktive Leistungsent­ nahme in der Aufstiegssonde in der Anlegeverbindung bis ca. 10 Watt. Das Prinzip kann selbstverständlich auch für sehr viel höhere Leistungen genutzt werden bei entsprechender Vergrößerung der Geometrie.

Die Prinzipschaltung der Anlegeverbindung ist in Fig. 5 dargestellt: Die Induktivität L der Primärwicklung 36 und die beiden parallelgeschalteten Kondensatoren 37, 38 der Kapazitä­ ten C bilden einen Serienresonanzkreis. Zusammen mit den MOSFET Transistoren 39, 40, den Begrenzerverstärkern 41, 42 und dem Tiefpaß aus R_p und C_p 43, 44 bildet der Schwing­ kreis einen selbstschwingenden Oszillator. Die beiden Dioden 45, 46 und die Widerstände 47, 48 bewirken zusammen mit der Eingangskapazität der MOSFET Transistoren, daß im­ mer nur einer der beiden Transistoren leitend ist. Wird der Anlegeverbinder getrennt, d. h. die Sekundärwicklung 49 mit dem Lastwiderstand R_a, 50 entfernt, geht der Oszillator selbsttätig in die Begrenzung durch Verschiebung des Arbeitspunktes beim Überschreiten einer vorge­ gebenen Spannung im Resonanzkreis. Der Start des Oszillators wird durch ein spezielles Signal ausgelöst, das bei vorliegender Anlegeverbindung erzeugt wird. Neben der Energie­ übertragung werden dieselben Spulen 36, 49 für bidirektionale Datenübertragung verwendet. Zur Regeneration der übertragenen Signale wird eine Eingangsstufe mit Hystererescharakte­ ristik verwendet, beispielsweise mit einer Schmittriggerschaltung 51. Die Datenübertragung erfolgt beispielsweise nach den CANbus Spezifikationen.

Claims (7)

1. Steckerähnliche Anlegeverbindung mit induktiver Schottdurchführung für Energie- und bidirektionale Datenübertragung dadurch gekennzeichnet, daß
ohne elektrischen Berührkontakt auf induktivem Wege sowohl Energie- als auch bidi­ rektionale Datenübertragung zwischen zwei getrennten Baugruppen durch nahes Beieinanderpositionieren erfolgt, völlig unabhängig von einer Verdrehung der beiden Teile um ihre eigenen Achsen und weitgehend unempfindlich gegen Neigungen ihrer Achsen gegeneinander bis zu Winkeln der Größenordnung 25°,
zwischen den beiden Baugruppen sich eine mehr oder weniger flexible Membran be­ findet, die ausgestülpt werden kann, und durch die die Baugruppen ggfs. auch mit Hil­ fe eines Stempels aktiv auseinandergeschoben werden können,
beide Baugruppen so ausgeführt werden können, daß sie auch unter hohen Umge­ bungsdrucken funktionieren, insbesondere eine Hochdruckschottdurchführung für e­ lektrische Energie- und Datenleitungen bilden, indem die rein induktive Übertragung insbesondere auch durch dicke, hochdruckfeste halbkugelförmige Trennwände hin­ durch funktioniert.

2. Steckerähnliche Anlegeverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Bewegungsablauf des Stempels zur aktiven Trennung der beiden Baugrup­ pen durch geeignete Gestaltung der Ausgleichswege und die Wahl der Viskosität eines Volumenausgleichsöls oder anderer Flüssigkeiten oder Gase in weiten Grenzen festge­ legt werden kann.

3. Steckerähnliche Anlegeverbindung nach Ansprüchen aus 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Stempelabdrückkraft mittels einer vorher berechenbaren Druckfeder in weiten Grenzen hinsichtlich der Anfangs- und Endkraft dimensioniert werden kann, um auch der im allgemeinen am Anfang der Trennung erforderlichen erhöhten Ablösekraft aufgrund z. B. von Verschmutzung oder gewisser Verklebung Rechnung tragen zu kön­ nen.

4. Steckerähnliche Anlegeverbindung nach Ansprüchen aus 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die federgetriebene Hubbewegung des Stempels zur aktiven Trennung der Baugruppen von einer elektro-mechanischen Vorrichtung ausgelöst werden kann.

5. Steckerähnliche Anlegeverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des magnetischen Feldes zur Energieübertragung durch einen aus der Induk­ tivität der Primärspule und einem Kondensator gebildeten Schwingkreis in Serienreso­ nanz erfolgt.

6. Steckerähnliche Anlegeverbindung nach Ansprüchen aus 1 und 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei getrennten Baugruppen der Oszillator sich selbst abschaltet.

7. Steckerähnliche Anlegeverbindung nach Ansprüchen 1, 5, 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der Start des Oszillators durch ein Signal ausgelöst wird, daß bei Annäherung der anderen Baugruppe entsteht.