Een tijd-domein reflectometer ( TDR ) is een elektronisch instrument dat gebruikmaakt van tijddomeinreflectometrie om fouten in metalen kabels te karakteriseren en op te sporen (bijvoorbeeld getwiste draadpaar of coaxkabel ). [1] Het kan ook worden gebruikt om discontinuïteiten in een connector, een printplaat of een ander elektrisch pad te lokaliseren . Het equivalente apparaat voor optische vezel is een optische tijd-domein reflectometer .
Beschrijving
Een TDR meet reflecties langs een geleider. Om deze reflecties te meten, zal de TDR een invallend signaal verzenden naar de geleider en luisteren naar zijn reflecties . Als de geleider een uniforme impedantie heeft en op de juiste wijze is afgesloten , zullen er geen reflecties zijn en zal het resterende invallende signaal aan het verre einde worden geabsorbeerd door de beëindiging. In plaats daarvan, als er impedantievariaties zijn, zal een deel van het invalsignaal terug worden gereflecteerd naar de bron. Een TDR lijkt in principe op radar .
Reflectie
In het algemeen zullen de reflecties dezelfde vorm hebben als het invallende signaal, maar hun teken en grootte hangen af van de verandering in impedantieniveau. Als er een stapsgewijze toename van de impedantie is, heeft de reflectie hetzelfde teken als het invalsignaal; als de impedantie stapsgewijs afneemt, heeft de reflectie het tegenovergestelde teken. De grootte van de reflectie hangt niet alleen af van de mate van verandering van de impedantie, maar ook van het verlies in de geleider.
De reflecties worden gemeten aan de uitgang / invoer van de TDR en weergegeven of geplot als een functie van de tijd. Als alternatief kan de weergave worden gelezen als een functie van de kabellengte omdat de snelheid van signaalvoortplanting bijna constant is voor een gegeven transmissiemedium.
Vanwege zijn gevoeligheid voor impedantievariaties, kan een TDR worden gebruikt om kabelimpedantiekarakteristieken, las- en connectorlocaties en bijbehorende verliezen te verifiëren en kabellengtes te schatten.
Incident signaal
TDR's gebruiken verschillende invalsignalen. Sommige TDR's zenden een puls langs de geleider; de resolutie van dergelijke instrumenten is vaak de breedte van de pols. Smalle pulsen kunnen een goede resolutie bieden, maar ze hebben hoogfrequente signaalcomponenten die worden verzwakt in lange kabels. De vorm van de puls is vaak een halve cyclus sinusoïde. [2] Voor langere kabels worden bredere pulsbreedten gebruikt.
Snelle stijgtijdstappen worden ook gebruikt. In plaats van te kijken naar de reflectie van een complete puls, houdt het instrument zich bezig met de stijgende flank, die erg snel kan zijn. [3] Een technologie van de jaren 70 TDR gebruikte stappen met een stijgtijd van 25 ps. [4] [5] [6]
Nog andere TDR's verzenden complexe signalen en detecteren reflecties met correlatietechnieken. Zie spectrofotometrie met gespreide spectrum tijddomein .
Gebruik
Tijdsdomeinreflectometers worden vaak gebruikt voor het ter plekke testen van zeer lange kabellengtes, waarbij het onpraktisch is om wat een kilometerslange kabel kan zijn op te graven of te verwijderen. Ze zijn onmisbaar voor preventief onderhoud van telecommunicatielijnen , omdat TDR's weerstand op gewrichten en connectoren kunnen detecteren als ze corroderen , en de isolatielekkage kan vergroten als het wordt afgebroken en vocht absorbeert, lang voordat dit tot catastrofale storingen leidt. Met behulp van een TDR is het mogelijk om een fout binnen centimeters te lokaliseren.
TDR's zijn ook zeer nuttige hulpmiddelen voor technische tegenmaatregelen van het toezicht , waar ze helpen bij het bepalen van het bestaan en de locatie van draadkranen . De kleine verandering in lijnimpedantie die wordt veroorzaakt door de introductie van een tik of las, verschijnt op het scherm van een TDR wanneer deze is aangesloten op een telefoonlijn.
TDR-apparatuur is ook een essentieel hulpmiddel bij de faalanalyses van moderne hoogfrequente printplaten met signaalsporen die zijn gemaakt om transmissielijnen te emuleren . Door het waarnemen van reflecties kunnen alle niet gesoldeerde pennen van een balrooster-array- inrichting worden gedetecteerd. Kortsluitpennen kunnen ook op soortgelijke wijze worden gedetecteerd.
Het TDR-principe wordt gebruikt in industriële omgevingen, in uiteenlopende situaties als het testen van geïntegreerde circuitpakketten op het meten van vloeistofniveaus. In het eerste geval wordt de reflectometer van het tijddomein gebruikt om defecte sites in hetzelfde te isoleren. Dit laatste is voornamelijk beperkt tot de procesindustrie.
In niveaumeting
In een op TDR gebaseerd niveau-meetapparaat genereert het apparaat een impuls die zich voortplant via een dunne golfgeleider (ook wel een sonde genoemd) - meestal een metalen staaf of een staalkabel. Wanneer deze impuls het oppervlak van het te meten medium raakt, reflecteert een deel van de impuls een back-up van de golfgeleider. Het apparaat bepaalt het vloeistofniveau door het tijdsverschil te meten tussen het moment waarop de impuls werd verzonden en wanneer de reflectie terugkeerde. De sensoren kunnen het geanalyseerde niveau uitvoeren als een continu analoog signaal of schakeluitgangssignalen. In de TDR-technologie wordt de impulssnelheid primair beïnvloed door de diëlektrische constante van het medium waardoor de puls zich voortplant, hetgeen sterk kan variëren door het vochtgehalte en de temperatuur van het medium. In veel gevallen kan dit effect zonder al te veel moeite worden gecorrigeerd. In sommige gevallen, zoals in kokende en / of hoge temperatuuromgevingen, kan de correctie moeilijk zijn. In het bijzonder kan het zeer moeilijk zijn om de schuim (schuim) hoogte en het ingezakte vloeistofniveau in een schuimig / kokend medium te bepalen.
Gebruikt in ankerkabels in dammen
De Dam Safety Interest Group van CEA Technologies, Inc. (CEATI), een consortium van elektriciteitsorganisaties, heeft spread-spectrum tijd-domein reflectometrie toegepast om mogelijke fouten in betonnen dam-ankerkabels te identificeren. Het belangrijkste voordeel van Time Domain reflectometrie ten opzichte van andere testmethoden is de niet-destructieve methode van deze tests. [8]
Gebruikt in de aard- en landbouwwetenschappen
Hoofdartikel: Het meten van het vochtgehalte met behulp van tijd-domein reflectometrie
Een TDR wordt gebruikt om het vochtgehalte in aarde en poreuze media te bepalen. In de afgelopen twee decennia zijn substantiële vorderingen gemaakt met het meten van vocht in grond, graan, voedsel en sediment. De sleutel tot het succes van TDR is het vermogen om de permittiviteit (diëlektrische constante) van een materiaal van golfvoortplanting nauwkeurig te bepalen, vanwege de sterke relatie tussen de diëlektrische constante van een materiaal en het watergehalte, zoals aangetoond in de baanbrekende werken van Hoekstra en Delaney (1974) en Topp et al. (1980). Recente reviews en naslagwerken over het onderwerp zijn onder meer Topp en Reynolds (1998), Noborio (2001), Pettinellia et al. (2002), Topp and Ferre (2002) en Robinson et al. (2003). De TDR-methode is een transmissielijntechniek en bepaalt de schijnbare diëlektrische constante (Ka) uit de reistijd van een elektromagnetische golf die zich langs een transmissielijn voortplant, meestal twee of meer parallelle metalen staven ingebed in grond of sediment. De sondes zijn meestal tussen de 10 en 30 cm lang en via coaxkabel met de TDR verbonden.
In geotechnisch gebruik
Reflectiemetrie uit het tijddomein is ook gebruikt om de hellingsbeweging in verschillende geotechnische omgevingen te bewaken, inclusief snelwegen, railbedden en open mijnen (Dowding & O'Connor, 1984, 2000a, 2000b; Kane & Beck, 1999). Bij toepassingen voor stabiliteitsbewaking waarbij gebruik wordt gemaakt van TDR, wordt een coaxiale kabel geïnstalleerd in een verticaal boorgat dat door het betreffende gebied gaat. De elektrische impedantie op elk punt langs een coaxkabel verandert met vervorming van de isolator tussen de geleiders. Een brosse voeg omringt de kabel om de aardbeweging te vertalen in een abrupte kabeldeformatie die zichtbaar wordt als een detecteerbare piek in het reflectiespoor. Tot voor kort was de techniek relatief ongevoelig voor kleine hellingsbewegingen en kon deze niet worden geautomatiseerd omdat deze afhankelijk was van menselijke detectie van veranderingen in het reflectantie-spoor na verloop van tijd. Farrington en Sargand (2004) ontwikkelden een eenvoudige signaalverwerkingstechniek met behulp van numerieke afgeleiden om betrouwbare aanwijzingen van hellingsverplaatsing uit de TDR-gegevens te verkrijgen, veel eerder dan met conventionele interpretatie.
Een andere toepassing van TDR's in geotechniek is het vaststellen van het bodemvochtgehalte. Dit kan gedaan worden door de TDR's in verschillende grondlagen te plaatsen en de tijd van aanvang van de neerslag te meten en de tijd dat TDR een toename van het bodemvochtgehalte aangeeft. De diepte van de TDR (d) is een bekende factor en de andere is de tijd dat de druppel water die diepte (t) bereikt; daarom kan de snelheid van infiltratie van water (v) worden bepaald. Dit is een goede methode om de effectiviteit van Best Management Practices (BMP's) te beoordelen bij het verminderen van regenwater oppervlakterespoor .
In de analyse van halfgeleiderelementen
Tijddomeinreflectometrie wordt gebruikt in halfgeleiderfoutenanalyse als een niet-destructieve methode voor de locatie van defecten in pakketten van halfgeleiderapparaten. De TDR biedt een elektrische handtekening van individuele geleidende sporen in het apparaatpakket en is handig voor het bepalen van de locatie van openingen en korte lijnen.
In het onderhoud van de bedrading van de luchtvaart
Tijddomeinreflectometrie, met name gespreid spectrum, tijddomeinreflectometrie wordt gebruikt op luchtvaartbedrading voor zowel preventief onderhoud als foutlocatie. [9] Spreidingsspectrumtijdreflectometrie heeft het voordeel dat de foutlocatie precies binnen duizenden mijlen van de luchtvaartbedrading wordt geplaatst. Bovendien is deze technologie de moeite waard om te overwegen voor real-time luchtvaartmonitoring, omdat reflectometrie met gespreid spectrum kan worden toegepast op stroomvoerende draden.
Het is aangetoond dat deze methode nuttig is om intermitterende elektrische storingen te lokaliseren. [10]
Multi-carrier tijddomein reflectometrie (MCTDR) is ook geïdentificeerd als een veelbelovende methode voor ingebedde EWIS diagnose of troubleshooting tools. Op basis van de injectie van een multidraaggolfsignaal (met inachtneming van EMC en onschadelijk voor de draden), biedt deze slimme technologie informatie voor de detectie, lokalisatie en karakterisering van elektrische defecten (of mechanische defecten met elektrische gevolgen) in de bekabelingsystemen. Een harde fout (kort, open circuit) of onderbroken defecten kunnen zeer snel worden gedetecteerd, waardoor de betrouwbaarheid van bekabelingssystemen wordt verhoogd en het onderhoud ervan wordt verbeterd. [11]
