КАБЕЛЬНЫЙ РАЗЪЕМ Российский патент 1995 года по МПК H01R17/04 H01R13/52 

Изобретение относится к электрическим соединителям и может быть использовано для соединения двух коаксиальных кабелей в проводящей среде.

Известен электрический разъем [1] служащий для соединения двух кабелей, например, в токопроводящей среде в условиях гидростатического давления. Разъем состоит из двух частей вилки и розетки, каждая из которых содержит корпус с герметичным вводом, плату с контактами и установленную со стороны сочленения эластичную прокладку со сквозными прорезями для контактов, герметизация которых обеспечивается выпуклостями, расположенными на торцовой поверхности прокладки.

Для повышения эксплуатационной надежности каждый участок поверхности прокладки, прилегающей к прорези, снабжен соосно с последней выпуклостью, причем контакты в расчлененном положении разъема входят в указанные прорези.

При таком конструктивном решении разъема возможно постепенное растрескивание эластичной прокладки вокруг прорези при многократных перестыковках разъема в проводящей среде под давлением, что снижает надежность разъема.

Известен также герметичный разъем [2] состоящий из двух частей, вилки и розетки с контактными элементами. Розетка снабжена герметизирующей втулкой, установленной подвижно в ее полости так, что между ее внутренней торцовой поверхностью и внутренней торцовой поверхностью розетки образован зазор. Форма поперечного сечения герметизирующей втулки выполнена одинаковой с формой поперечного сечения вилки.

С целью уменьшения габаритов и повышения надежности разъема при работе в загрязненных средах, герметизирующая втулка выполнена в виде цилиндра, внешняя поверхность которого взаимодействует с внутренней полостью розетки, а внутренняя с внешней поверхностью вилки, при этом втулка установлена с возможностью перемещения навстречу перемещению вилка так, что объемы выдвинутой части втулки и выдвинутой части вилки равны. При таком конструктивном решении разъема возможно снижение надежности и долговечности при работе в загрязненных средах с присутствием абразивных частиц, например песка. При этом происходит изнашивание притертых поверхностей вилки, подвижной втулки и розетки, приводящее к образованию зазора между поверхностями, в который возможно попадание абразивных частиц, приводящее к заклиниванию подвижных частей.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является кабельный разъем [3] содержащий вилку и розетку, герметично соединенные с кабелями, выпуклый уплотнительной элемент на штыре вилки и компенсатор изменения внутреннего объема, размещенный на корпусе розетки.

Для упрощения конструкции в корпусе розетки со стороны сочленения установлено диэлектрическое кольцо с коническим отверстием, выполненным с выступающей острой кромкой, а штырь выполнен подпружиненным относительно корпуса вилки и связан с эксцентриковыми тягами с корпусом розетки.

К недостаткам разъема относятся: сложность конструкции (наличие компенсатора внутреннего давления, эксцентриковых тяг, пружин);
снижение надежности и долговечности при работе в средах с наличием абразивных частиц вследствие износа трущихся деталей и уплотнений.

Известные разъемы разработаны для передачи постоянных токов или низкочастотных сигналов и не обеспечивают передачу высокочастотных сигналов без искажений в силу конструктивных особенностей.

Целью изобретения является упрощение конструкции, повышение надежности, расширение функциональных возможностей за счет обеспечения передачи высокочастотных сигналов при работе разъема в проводящих средах.

Это достигается тем, что в кабельном разъеме для работы в проводящей среде, состоящем из двух частей вилки и розетки, каждая из которых герметично соединена с кабелем и содержит центральный контактный элемент, установленный в изоляционной втулке, согласно изобретению вилка и розетка выполнены в виде отрезков коаксиальной линии, внешние проводники которой образуют внешние контактные элементы и розетки, при этом вилка и розетка соединены плавными коаксиальными переходами с коаксиальными кабелями. На наружной поверхности внешнего контактного элемента вилки выполнен упор, взаимодействующий с внешним контактным элементом розетки, торцовые поверхности изоляционных втулок, вилки и розетки образуют зазор, заполненный проводящей средой, причем шунтирующее сопротивление проводящей среды в зазоре больше волнового сопротивления кабеля.

С целью расширения эксплуатационных возможностей за счет обеспечения работы в средах с различной проводимостью может быть предложена модификация разъема, в которой упор выполнен с возможностью перемещения вдоль продольной оси разъема (модификация 2)
С целью повышения надежности и долговечности центральных контактных элементов может быть предложена модификация разъема, в которой между центральными контактными элементами образован зазор, заполненный проводящей средой, причем сопротивление проводящей среды в зазоре меньше волнового сопротивления кабеля (модификация 3).

При большом значении удельной электрической проводимости σ превышение величины шунтирующего сопротивления проводящей среды в зазоре, образованном торцовыми поверхностями изоляционных втулок вилки и розетки, над волновым сопротивлением кабеля достигается при достаточно большом диаметре изоляционных втулок (200 мм и более). Поэтому с целью сокращения габаритов разъема может быть предложена его модификация, в которой на торцовой поверхности изоляционной втулки вилки выполнены концентрические кольцевые выступы, а на торцовой поверхности изоляционной втулки розетки соответствующие им кольцевые канавки (модификация 4). Такое конструктивное решение разъема и его модификаций позволяет обеспечить согласование по волновому сопротивлению волнового канала разъема и стыкуемых кабелей.

Благодаря тому, что шунтирующее сопротивление проводящей среды в зазоре между торцовыми поверхностями изоляционных втулок вилки и розетки, выбрано больше волнового сопротивления кабеля, а сопротивление в зазоре между центральными контактными элементами меньше волнового сопротивления кабеля, отражение от введенных неоднородностей может быть минимизировано, а вносимая разъемом погрешность может быть установлена меньше, чем погрешность оконечной аппаратуры, к которой подключается кабель с разъемом.

Шунтирующее сопротивление проводящей среды в зазоре может быть представлено в виде эквивалентного сопротивления утечки, включенного параллельно в эквивалентную схему участка кабельной линии, и чем оно больше, тем меньше ток утечки и, следовательно, тем меньше влияние зазора.

Сопротивление в зазоре между центральными контактными элементами может быть представлено в виде эквивалентного переходного сопротивления, включенного последовательно в эквивалентную схему участка кабельной линии, и чем оно меньше, тем меньше падение напряжения на этом сопротивлении и тем меньше влияние этого зазора.

Введение зазоров, выбранных исходя из изложенных условий, позволяет отказаться от герметичных конструкций и выполнить разъем принципиально негерметичным, что в свою очередь позволяет существенно упростить конструкцию разъема, отказаться от компенсаторов давления и герметизирующих уплотнений. Кроме того, введение зазора между торцовыми поверхностями изоляционных втулок вилки и розетки исключает износ поверхностей изоляционных втулок даже при попадании частиц песка и ила между поверхностями.

Так как стыкуемые контактные элементы разъема находятся в проводящей среде, обеспечивающей надежную токопередачу между ними, то появляется возможность снизить контактное давление в стыкуемых контактных парах и отказаться от соприкосновения контактных элементов. Это исключает износ контактных покрытий и дает возможность применения в качестве материала для контактных элементов такого нетрадиционного материала для контактов как титан.

Введение зазора между центральными контактными элементами, кроме того, исключает компрессию при стыковках разъема.

Выполнение упора с возможностью перемещения вдоль продольной оси разъема позволяет регулировать ширину и длину зазора с проводящей средой, т.е. изменять шунтирующее сопротивление в волновом канале разъема и, следовательно, оптимально перестраивать его при работе в среде с другой удельной электрической проводимостью. Чем больше диаметр изоляционных втулок, тем длиннее путь токов утечки и, следовательно, больше шунтирующее сопротивление проводящей среды между внешними и центральными контактными элементами.

Выполнение на торцовой поверхности изоляционной втулки вилки концентрических кольцевых выступов, а на торцовой поверхности изоляционной втулки розетки соответствующих им кольцевых канавок позволяет увеличить путь токов утечки без увеличения габаритов разъема.

На фиг.1 представлен кабельный разъем, общий вид; на фиг.2 участок кабельной линии с разъемом, имеющим зазор между торцовыми поверхностями изоляционных втулок вилки и розетки; на фиг.3 участок кабельной линии с разъемом, имеющим зазор между центральными контактными элементами.

Кабельный разъем для работы в проводящей среде состоит из двух частей вилки 1 и розетки 2, выполненных из отрезков коаксиальной линии и герметично соединенных с кабелями 3, 4 плавными коаксиальными переходами 5, 6.

Вилка 1 и розетка 2 содержат контактные элементы 7-10, установленные на изоляционных втулках 11, 12 соответственно. Внешние контактные элементы 7, 9 охватывают с внешней стороны изоляционные втулки 11, 12 вилки 1 и розетки 2 и являются продолжением внешних проводников сочленяемых кабелей 3, 4. Центральные контактные элементы 8, 10 расположены на оси разъема.

На наружной поверхности внешнего контактного элемента 7 вилки 1 выполнен упор 13, взаимодействующий с внешним контактным элементом 9 розетки 2 и имеющий возможность перемещения вдоль продольной оси разъема.

На торцовой поверхности изоляционной втулки 11 вилки 1 выполнен концентрический кольцевой выступ 14, а на торцовой поверхности изоляционной втулки 12 розетки 2 соответствующая ему концентрическая кольцевая канавка 15. Торцовые поверхности изоляционных втулок 11, 12 и выполненные на них концентрический кольцевой выступ 14 и концентрическая кольцевая канавка 15 образуют зазор 16, заполненный проводящей средой 17. При этом шунтирующее сопротивление проводящей среды 17 в зазоре 16 больше волнового сопротивления кабеля.

Между центральными контактными элементами 8, 10 образован зазор 18, заполненный проводящей средой 17. Сопротивление проводящей среды между контактными элементами 8, 10 в зазоре 18 меньше волнового сопротивления кабеля.

Разъем работает следующим образом.

При сочленении вилки 1 с розеткой 2 излишний объем проводящей среды свободно вытесняется из зоны сочленения сквозь зазоры между сопрягаемыми поверхностями изоляционных втулок 11, 12 модификаций разъема 1 и 4, а в модификации 3 и из зазора между центральными контактными элементами 8, 10. Величина зазора между торцовыми поверхностями изоляционных втулок 11, 12 первой модификации и между концентрическим кольцевым выступом 14 и канавкой 15 в четвертой модификации ограничивается упором 13, который предотвращает дальнейшее движение розетки 2, взаимодействуя с ее внешним контактным элементом 9. Практически величины зазоров таковы, что мелкие частицы песка и ил не мешают сочленению, и частично выбрасываются вместе с вытесняемой проводящей средой.

Благодаря тому, что контактные элементы 7, 8 вилки 1 и 9, 10 розетки 2 в сочлененном состоянии окружены слоем проводящей среды, между ними обеспечивается надежный электрический контакт даже при отсутствии непосредственного соприкосновения контактных элементов.

Это обстоятельство исключает истирание сопрягаемых поверхностей и тем самым обеспечивается высокая надежность и длительный срок службы. Требуемое качество передачи высокочастотных сигналов обеспечивается, во-первых, согласованием по волновому сопротивлению сочленяемых кабелей 3, 4 и канала передачи разъема, выполненного из отрезков коаксиального кабеля, и согласованных с ними плавными коаксиальными переходами 5, 6 и, во-вторых, выбором величины зазора таким образом, чтобы шунтирующее сопротивление Z₃₁ слоя проводящей среды между центральными 8, 10 и внешними 7, 9 контактными элементами было больше, чем волновое сопротивление сочленяемых кабелей.

Допустимая величина искажений, например, относительное изменение амплитуды Δ U/U передаваемого сигнала, возникающих в кабельной линии при установке разъема, не должна превышать погрешности применяемой оконечной аппаратуры.

≅ δ (1)
Определим минимально допустимую величину шунтирующего сопротивления Z₃₁ проводящей среды в образованном зазоре между центральными и внешними контактными элементами разъема при условии малости сопротивления проводящей среды в зазоре между центральными контактными элементами.

Величина Δ U/U, как нетрудно доказать, в случае активного Z₃₁, равняется коэффициенту отражения Г от неоднородности тракта, вызванной установкой разъема
Г (2)
Коэффициент отражения Г определяется выражением:
Г , (3) где Z_вх входное сопротивление кабельной линии в точках установки разъема (точки I-I фиг.2);
Z_в волновое сопротивление кабеля.

Согласно фиг.2 величина Z_вх^(I)-(I) определяется выражением:
Z(1вх

^)-(1)= (4)
Подставив (4) в (3) и (2) получим:
Г (5)
Найдем Z₃₁ из (5):
Z₃₁= Z (6)
Из (5) следует, что чем больше Z₃₁, тем меньше Δ U/U и Г, и, следовательно, меньше влияние разъема. Например, для кабельной линии с волновым сопротивлением 50 Ом и погрешностью оконечной аппаратуры 10% численное значение минимально допустимого шунтирующего сопротивления Z₃₁составит:
Z₃₁= 50 225 Ом
При погрешности оконечной аппаратуры 5% примерно 500 Ом, т.е. соответственно в 4,5 и 10 раз больше волнового сопротивления кабеля.

Коэффициент стоячей волны (КСВ) в кабельной линии в этом случае при Z₃₁ 500 составит:
КСВ ≈ ≈ 1,1
Рассмотрим теперь случай введения зазора между центральными контактными элементами, при этом предположим, что шунтирующее сопротивление зазора Z₃₁ велико и его влиянием можно пренебречь. Схема участка кабельной линии для этого случая изображена на фиг.3.

Согласно схеме, изображенной на фиг.3, входное сопротивление Z_вх^(2)-(2) участка линии в точках (2)-(2) равно:
Z_вх^(2)-(2) Z_в + Z₃₂ (7)
Подставив (7) в (3) и (2), получим:
(8)
Найдем Z₃₂ из (8):
Z₃₂= (9)
Из (9) следует, что чем меньше величина ΔU/U, тем меньше должна быть величина Z₃₂.

Например, для кабельной линии с волновым сопротивлением Z_в 50 Ом и погрешностями оконечной аппаратуры 10 и 5% максимально возможное сопротивление зазора Z₃₂ составит 11,1 и 5,3 Ом соответственно.

Используя полученные численные значения шунтирующего сопротивления зазора Z₃₁ и сопротивление зазора Z₃₂, могут быть рассчитаны геометрические размеры зазоров. Например, для четвертой модификации общее шунтирующее сопротивление Z₃₁ слоя проводящей среды между центральными контактными элементами 8, 10 и внешними контактными элементами 7, 9 разъема складываются из сопротивлений Z₁, Z₂, Z₃проводящей среды в зазорах между торцовыми поверхностями изолирующих втулок 11, 12 кольцевого выступа 14 и кольцевой канавки 15 и сопротивлений Z_k1,2 каналов между боковыми поверхностями выступа 14 и канавки 15.

Z₃₁ Z₁ + Z₂ + Z₃ + Z_k1 + Z_k2 (10)
Сопротивления Z₁, Z₂, Z₃ представляют собой сопротивления слоев проводящей среды в виде колец. В выбранной четвертой модификации, как показали изменения, эти сопротивления не превышают 5 Ом, что много меньше сопротивлений Z_k1, Z_k2 каналов в виде трубки с толщиной стенки h и длиной l, поэтому для оценочного расчета сопротивлениями Z₁, Z₂, Z₃пренебрегают.

Величины Z_k1 и Z_k2 определяются известной формулой для проводников:
Z_K1,2= (11) где S_1,2 площади поперечных сечений каналов в виде трубки;
S₁ S₁'-S₁" (12) где
S (13)
S (14) где D₁ внутренний диаметр кольцевой канавки 15.

С учетом (13) и (14), а также того, что 4h² ≪ 4D₁h формула (12) принимает вид:
S₁ ≈π D₁/h (15)
Аналогично может быть определена площадь поперечного сечения внешнего (относительно поверхности кольцевого выступа) канала в виде трубки с проводящей средой:
S₂ ≈πD₂ h, (16) где D₂ внешний диаметр кольцевого выступа 14
Учитывая (15), (16) и (11) формула (10) принимает вид:
Z₃₁≈ Z_K1+Z_K2= + (17)
При выбранных из практических соображений D₁ 10 мм, D₂ 20 мм, h 1 мм, проводимости среды σ 1 Cм/м, а также рассчитанного ранее значения Z₃₁ 500 Ом длина l трубчатых каналов должна быть равна 10 мм. В общем случае при N кольцевых канавках и выступах формула (17) может быть легко приведена к виду:
Z₃₁= + (18)
При этом чем больше N, тем меньше габариты разъема.

Проведем расчет требуемых габаритов центральных контактных элементов 8 и 10 при наличии между ними зазора с проводящей средой. В случае выполнения центрального контактного элемента 8 вилки 1 в виде штыря, а центрального контактного элемента 10 розетки 2 в виде гнезда образованный зазор между ними представляет собой канал в виде трубки, в которой ток протекает в радиальном направлении от внешней поверхности штыря к внутренней поверхности гнезда (стеканием тока с торца штыря пренебрегаем).

Величину зазора h примем равной 1 мм, диаметр штыря d 3 мм, проводимость среды σ 1 Cм/м, Z_3,2 ≈ 5 Ом.

Для ориентировочного расчета, учитывая, что h в 3 раза меньше d, заменим канал в виде трубки длиной l эквивалентной пластиной толщиной h, длиной l, шириной π d.

Сопротивление такой пластины определяется формулой:
Z (19)
Найдем из (19) выражение для l:
l (20)
При принятых габаритах штыря, величине зазора h и учитывая ранее определенную величину Z (Z ≈Z₃₂) вычислим требуемую величину l:
l ≈ 0,02 м
Таким образом оценочные расчеты подтверждают возможность создания негерметичного разъема для передачи ВЧ-сигналов в проводящей среде.

В качестве материала для контактных элементов 7-10, упора 13 может быть использован титан, для изоляционных втулок 11, 12 капролон или полиэтилен. Герметизация с сочленяемыми кабелями может быть обеспечена обрезиниванием. Упор 13 может быть выполнен в виде фигурной гайки, связанной резьбовым соединением с внешним контактным элементом 7 вилки 1.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение надежности и долговечности за счет введения зазора между сопрягаемыми изоляционными втулками и отказа от непосредственного соприкосновения контактных элементов, что исключает износ деталей разъема при длительной работе в проводящей среде с присутствием частиц ила или песка;
упрощение конструкции за счет исключения компенсаторов внутреннего давления, эксцентриковых тяг, пружин; передачу высокочастотных сигналов за счет выполнения вилки и розетки разъема из отрезков коаксиальной линии, согласованной с сочленяемыми кабелями коаксиальными переходами.

Использование: изобретение относится к электрическим соединителям и может быть использовано для соединения двух коаксиальных кабелей в проводящей среде. Сущность изобретения: кабельный разъем для работы в проводящей среде состоит из вилки 1 и розетки 2, выполненных в виде отрезков коаксиальной линии и герметично соединенных с кабелями 3, 4 плавными коаксиальными переходами 5, 6. Вилки 1 и розетки 2 содержат контактные элементы 7, 8 и 9, 10, установленные на изоляционных втулках 11, 12 соответственно. Внешние контактные элементы 7, 9 охватывают с внешней стороны изоляционные втулки 11, 12 вилки 1 и розетки 2 и являются продолжением внешних проводников сочленяемых кабелей 3, 4. На наружной поверхности внешнего контактного элемента 7 вилки 1 выполнен упор 13, взаимодействующий с внешним контактным элементом 9 розетки 2. Упор 13 имеет возможность перемещения вдоль продольной оси разъема. На торцовой поверхности изоляционной втулки 11 вилки 1 выполнен концентрический кольцевой выступ 14, а на торцовой поверхности изоляционной втулки 12 розетки 2 - соответствующая ему кольцевая канавка 15. Торцовые поверхности изоляционных втулок 11, 12 и выполненные на них концентрический кольцевой выступ 14 и концентрическая кольцевая канавка 15 образуют зазор 16, заполненный проводящей средой 17. Между центральными контактными элементами 8, 10 образован зазор 18, заполненный проводящей средой 17. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. КАБЕЛЬНЫЙ РАЗЪЕМ для работы в проводящей среде, состоящий из вилки и розетки, герметично соединенных с кабелем и содержащих центральный контактный элемент, установленный в изоляционной втулке, отличающийся тем, что вилка и розетка выполнены в виде отрезков коаксиальной линии, внешние проводники которой образуют внешние контактные элементы вилки и розетки, при этом вилка и розетка соединены плавными коаксиальными переходами с коаксиальными кабелями, на наружней поверхности внешнего контактного элемента вилки выполнен упор, взаимодействующий с внешним контактным элементом розетки, торцевые поверхности изоляционных втулок вилки и розетки образуют зазор, заполненный проводящей средой, причем шунтирующее сопротивление проводящей среды в зазоре больше волнового сопротивления кабеля. 2. Разъем по п. 1, отличающийся тем, что упор выполнен с возможностью перемещения вдоль продольной оси разъема. 3. Разъем по пп.1 и 2, отличающийся тем, что между центральными контактами элементами выполнен зазор, заполненный проводящей средой, причем сопротивление проводящей среды в зазоре между контактными элементами меньше волнового сопротивления кабеля. 4. Разъем по пп.1 и 2, отличающийся тем, что на тоцевой поверхности изоляционной втулки вилки выполнены концентрические кольцевые выступы, а на торцевой поверхности изоляционной втулки розетки соответствующие им кольцевые канавки.