Reflektometr v časové oblasti - Time-domain reflectometer

Reflektometr v časové oblasti pro kabel detekce poruchy

A reflektometr v časové oblasti (TDR) je elektronický přístroj používaný ke stanovení charakteristik elektrické vedení pozorováním odráží křivky.

Lze jej použít k charakterizaci a lokalizaci poruch kovových kabelů (například kroucený pár drátu nebo koaxiál ).[1] Lze jej také použít k vyhledání nespojitostí v konektoru, tištěný spoj nebo jakoukoli jinou elektrickou cestu.

Popis

TDR měří odrazy podél vodiče. Za účelem měření těchto odrazů bude TDR vysílat dopadající signál na vodič a naslouchat jeho odrazy. Pokud je vodič jednotný impedance a je správně ukončeno, pak nedojde k žádným odrazům a zbývající dopadající signál bude absorbován na vzdáleném konci ukončením. Místo toho, pokud existují odchylky impedance, bude se část dopadajícího signálu odrážet zpět ke zdroji. TDR je v zásadě podobný radar.

Signál (nebo energie) přenášený a odrážený z diskontinuity

The impedance z diskontinuita lze určit z amplituda odrazeného signálu. The vzdálenost k odrazné impedanci lze také určit z čas že a puls trvá návrat. Omezení této metody je minimální systém doba náběhu. Celková doba náběhu se skládá z kombinované doby náběhu budicího pulzu a doby náběhu osciloskop nebo vzorkovač, který monitoruje odrazy.

Metoda

Analýza TDR začíná šířením a krok nebo popud energie do Systém a následné pozorování energie odražené systémem. Analýzou velikosti, trvání a tvaru odraženého tvaru vlny lze určit povahu změny impedance v přenosovém systému.

Pokud čistý odporová zátěž je umístěn na výstupu reflektometr a a krokový signál je aplikován, je na displeji pozorován krokový signál a jeho výška je funkcí odporu. Velikost kroku produkovaného odporovou zátěží může být vyjádřena jako zlomek vstupního signálu, jak je dáno vztahem:

kde je charakteristická impedance z přenosové vedení.

Odraz

Obecně budou mít odrazy stejný tvar jako dopadající signál, ale jejich znaménko a velikost závisí na změně úrovně impedance. Pokud dojde ke skokovému zvýšení impedance, bude mít odraz stejný znak jako dopadající signál; pokud dojde ke skokovému poklesu impedance, bude mít odraz opačné znaménko. Velikost odrazu závisí nejen na velikosti změny impedance, ale také na ztrátě vodiče.

Odrazy se měří na výstup vstup do TDR a zobrazeny nebo vyneseny jako funkce času. Alternativně lze displej číst jako funkci kabel délka, protože rychlost šíření signálu je pro dané přenosové médium téměř konstantní.

Kvůli své citlivosti na změny impedance lze použít TDR k ověření charakteristik impedance kabelu, spojit a konektor umístění a související ztráty a odhad délky kabelů.

Signál incidentu

TDR používají různé signály incidentů. Některé TDR vysílají a puls podél vodiče; rozlišení těchto nástrojů je často šířka pulzu. Úzké impulsy mohou nabídnout dobré rozlišení, ale mají vysokofrekvenční signální komponenty, které jsou u dlouhých kabelů zeslabeny. Tvar pulzu je často poloviční cyklus sinusoida.[2] U delších kabelů se používají širší šířky impulzů.

Rychle doba náběhu také se používají kroky. Namísto hledání odrazu úplného pulzu se přístroj zabývá vzestupnou hranou, která může být velmi rychlá.[3] Technologie TDR ze 70. let používala kroky s dobou náběhu 25 ps.[4][5][6]

Ještě další TDR vysílají složité signály a detekují odrazy pomocí korelačních technik. Vidět reflektometrie v časové oblasti s rozprostřeným spektrem.

Variace a rozšíření

Ekvivalentní zařízení pro optické vlákno je optický reflektometr v časové oblasti.

Transmometrie v časové oblasti (TDT) je analogická technika, která měří přenášený (spíše než odražený) impuls. Společně poskytují výkonný prostředek pro analýzu elektrických nebo optických přenosových médií, jako jsou koaxiál a optické vlákno.

Existují variace TDR. Například, reflektometrie v časové oblasti s rozprostřeným spektrem (SSTDR) se používá k detekci občasných poruch ve složitých a hlučných systémech, jako je elektroinstalace letadel.[7] Koherentní optická časová doména reflektometrie (COTDR) je další variantou používanou v optických systémech, ve kterých je vrácený signál smíchán s místním oscilátorem a poté filtrován, aby se snížil šum.[8]

Ukázkové stopy

Tyto stopy byly produkovány reflektometrem v časové oblasti vyrobeným z běžného laboratorního zařízení připojeného k přibližně 30 stopám koaxiálního kabelu majícího charakteristická impedance 50 ohmů. Rychlost šíření tohoto kabelu je přibližně 66% rychlosti světla ve vakuu.

  • Jednoduchý TDR vyrobený z laboratorního vybavení

  • Jednoduchý TDR vyrobený z laboratorního vybavení

  • TDR trasování přenosové linky s otevřeným zakončením

  • TDR trasování přenosového vedení se zkratovým zakončením

  • TDR trasování přenosového vedení s zakončením kondenzátoru 1nF

  • TDR stopa přenosového vedení s téměř ideálním zakončením

  • TDR stopa přenosového vedení ukončeného na vstupu vysoké impedance osciloskopu. Modrá stopa je puls, jak je vidět na vzdáleném konci. Je posunut tak, aby byla viditelná základní linie každého kanálu

  • TDR stopa přenosového vedení zakončeného na vstupu vysoké impedance osciloskopu řízeného skokovým vstupem ze spárovaného zdroje. Modrá stopa je signál, jak je vidět na vzdáleném konci.

Tyto stopy byly vyrobeny komerčním TDR pomocí krokového průběhu s časem 25 ps, vzorkovací hlavou s časem 35 ps a kabelem SMA o průměru 18 palců (0,46 m).[9] Vzdálený konec kabelu SMA byl ponechán otevřený nebo připojený k různým adaptérům. Pulsu trvá asi 3 ns, aby se dostal dolů po kabelu, odrazil se a dosáhl vzorkovací hlavy. V některých stopách je vidět druhý odraz (přibližně 6 ns); je to způsobeno odrazem, který vidí malou neshodu na vzorkovací hlavě a způsobí, že další „příhodná“ vlna cestuje po kabelu.

  • TDR kroku do odpojeného konektoru SMA (nepřesně otevřený)
    horizontální: 1 ns / div
    vertikální: 0,5 ρ / dílek

  • TDR kroku do odpojeného konektoru APC-7 mm

  • TDR kroku do přesnosti APC-7 mm otevřené

  • TDR kroku do přesného zatížení APC-7 mm

  • TDR kroku do APC-7 mm s přesností krátká

  • TDR kroku do přesnosti APC-7 mm otevřené
    horizontální: 20 ps / div

  • TDR kroku do spárovaného páru konektorů BNC; vrcholový odraz je 0,04
    horizontální: 200 ps / div
    vertikální: 20 mρ / div

Vysvětlení

Pokud je vzdálený konec kabelu zkratován, tj. Ukončen impedancí nulových ohmů, a když je náběžná hrana impulsu spuštěna dolů po kabelu, napětí v místě spuštění okamžitě stoupne na danou hodnotu a puls se začne šířit v kabelu směrem ke zkratu. Když puls narazí na zkrat, na vzdáleném konci není absorbována žádná energie. Místo toho se invertovaný pulz odráží zpět od zkratu směrem ke startovacímu konci. Teprve když tento odraz konečně dosáhne bodu spuštění, napětí v tomto bodě náhle poklesne zpět na nulu, což signalizuje přítomnost zkratu na konci kabelu. To znamená, že TDR nemá žádnou indikaci, že na konci kabelu je zkrat, dokud jeho emitovaný puls nemůže cestovat v kabelu a ozvěna se může vrátit. Teprve po tomto zpoždění zpoždění může být TDR detekován zkrat. Se znalostí rychlost šíření signálu v konkrétním testu kabelu lze měřit vzdálenost ke zkratu.

Podobný efekt nastane, pokud je vzdálený konec kabelu otevřený obvod (zakončený do nekonečné impedance). V tomto případě je však odraz od vzdáleného konce polarizován shodně s původním pulzem a přidává se k němu, místo aby jej rušil. Takže po zpoždění zpoždění napětí na TDR náhle vyskočí na dvojnásobek původně použitého napětí.

Perfektní zakončení na vzdáleném konci kabelu by zcela absorbovalo aplikovaný puls, aniž by to způsobilo jakýkoli odraz, což by znemožnilo určení skutečné délky kabelu. v praxi je téměř vždy pozorován malý odraz.

Velikost odrazu se označuje jako koeficient odrazu nebo ρ. Koeficient se pohybuje od 1 (otevřený obvod) do -1 (zkrat). Hodnota nula znamená, že nedochází k žádnému odrazu. Koeficient odrazu se vypočítá takto:

Kde Zo je definována jako charakteristická impedance přenosového média a Zt je impedance ukončení na vzdáleném konci přenosové vedení.

Na jakoukoli diskontinuitu lze pohlížet jako na zakončovací impedanci a nahradit ji jako Zt. To zahrnuje náhlé změny charakteristické impedance. Například šířka stopy na desce s plošnými spoji, která se zdvojnásobila ve své střední části, by představovala diskontinuitu. Část energie se odráží zpět ke zdroji řízení; zbývající energie bude přenesena. Toto se také nazývá rozptylový spoj.

Používání

Reflektometry v časové doméně se běžně používají k testování velmi dlouhých kabelových tras na místě, kde je nepraktické vykopávat nebo odstraňovat kabel dlouhý několik kilometrů. Jsou nepostradatelné pro preventivní údržba z telekomunikace linky, protože TDR mohou detekovat odpor na kloubech a konektory jako oni korodovat a zvyšuje se izolace únik, protože degraduje a absorbuje vlhkost dlouho předtím, než buď dojde ke katastrofickým poruchám. Pomocí TDR je možné určit poruchu s přesností na centimetry.

TDR jsou také velmi užitečné nástroje pro protiopatření technického dozoru, kde pomáhají určovat existenci a umístění drátěné kohoutky. Mírná změna impedance linky způsobená zavedením odbočky nebo spojky se po připojení k telefonní lince zobrazí na obrazovce TDR.

Zařízení TDR je rovněž nezbytným nástrojem v EU analýza selhání moderních vysokofrekvenčních desek plošných spojů se signálními stopami vytvořenými pro emulaci přenosové linky. Pozorováním odrazů byly všechny nepájené piny a pole s míčem zařízení lze detekovat. Zkratované kolíky lze také detekovat podobným způsobem.

Princip TDR se používá v průmyslovém prostředí, v situacích tak rozmanitých, jako je testování integrovaný obvod balení k měření hladiny kapaliny. V prvním případě se reflektometr časové domény používá k izolaci selhávajících míst ve stejném. Ten je primárně omezen na zpracovatelský průmysl.

Při měření hladiny

Na bázi TDR měření hladiny Zařízení generuje impuls, který se šíří dolů po tenkém vlnovodu (označovaném jako sonda) - obvykle kovová tyč nebo ocelové lano. Když tento impuls zasáhne povrch měřeného média, část impulsu se odráží zpět nahoru vlnovodu. Zařízení určuje hladinu kapaliny měřením časového rozdílu mezi okamžikem, kdy byl vyslán impuls, a okamžikem, kdy se odraz vrátil. Senzory mohou vydávat analyzovanou hladinu jako spojitý analogový signál nebo přepínat výstupní signály. V technologii TDR je rychlost impulsu primárně ovlivněna permitivitou média, kterým se puls šíří, což se může velmi lišit podle obsahu vlhkosti a teploty média. V mnoha případech lze tento efekt opravit bez zbytečných obtíží. V některých případech, například ve vroucích a / nebo vysokoteplotních prostředích, může být korekce obtížná. Zejména stanovení výšky pěny (pěny) a hladiny sbalené kapaliny v napěněném / vroucím médiu může být velmi obtížné.

Používá se v kotevních kabelech v přehradách

Přihlásila se zájmová skupina Dam Safety Interest Group společnosti CEA Technologies, Inc. (CEATI), konsorcium organizací pro elektrickou energii Reflektometrie v časové oblasti s rozprostřeným spektrem k identifikaci potenciálních poruch v kotevních kabelech betonové přehrady. Klíčovou výhodou reflektometrie časové domény oproti jiným testovacím metodám je nedestruktivní metoda těchto testů.[10]

Používá se v vědách o zemi a zemědělství

Hlavní článek: Měření obsahu vlhkosti pomocí reflektometrie v časové oblasti

K určení se používá TDR Obsah vlhkosti v půdě a porézních médiích. Během posledních dvou desetiletí došlo k podstatnému pokroku v měření vlhkosti v půdě, obilí, potravinách a sedimentech. Klíčem k úspěchu TDR je jeho schopnost přesně určit permitivitu (dielektrickou konstantu) materiálu z šíření vln, a to díky silnému vztahu mezi permitivitou materiálu a jeho obsahem vody, jak dokazují průkopnická díla Hoekstra a Delaneye. (1974) a Topp a kol. (1980). Nedávné recenze a referenční práce na toto téma zahrnují Topp a Reynolds (1998), Noborio (2001), Pettinellia et al. (2002), Topp a Ferre (2002) a Robinson a kol. (2003). Metoda TDR je technika přenosového vedení a určuje zdánlivou permitivitu (Ka) z doby cestování elektromagnetické vlny, která se šíří podél přenosového vedení, obvykle dvou nebo více rovnoběžných kovových tyčí uložených v půdě nebo sedimentu. Sondy jsou obvykle dlouhé 10 až 30 cm a jsou připojeny k TDR pomocí koaxiálního kabelu.

V geotechnickém inženýrství

Reflektometrie v časové doméně byla také použita k monitorování pohybu svahu v různých formách geotechnické nastavení včetně dálničních řezů, kolejových loží a povrchových dolů (Dowding a O'Connor, 1984, 2000a, 2000b; Kane & Beck, 1999). V aplikacích pro sledování stability využívajících TDR je koaxiální kabel instalován do vertikálního vrtu procházejícího příslušnou oblastí. Elektrická impedance v kterémkoli bodě podél koaxiálního kabelu se mění s deformací izolátoru mezi vodiči. Křehká injektážní hmota obklopuje kabel, aby přeměnila pohyb Země na náhlou deformaci kabelu, která se projeví jako detekovatelný vrchol stopy odrazivosti. Až donedávna byla tato technika relativně necitlivá na malé svahové pohyby a nemohla být automatizována, protože se spoléhala na detekci změn ve stopě odrazivosti člověkem v čase. Farrington a Sargand (2004) vyvinuli jednoduchou techniku ​​zpracování signálu pomocí numerických derivací k získání spolehlivých údajů o sklonu svahu z dat TDR mnohem dříve než konvenční interpretací.

Další aplikací TDR v geotechnickém inženýrství je stanovení obsahu půdní vlhkosti. Toho lze dosáhnout umístěním TDR do různých vrstev půdy a měřením času začátku srážení a času, kdy TDR indikují zvýšení obsahu půdní vlhkosti. Hloubka TDR (d) je známým faktorem a druhou je doba, za kterou kapka vody dosáhne této hloubky (t); proto rychlost vody infiltrace (v) lze určit. Toto je dobrá metoda k hodnocení účinnosti Best Management Practices (BMP) při snižování dešťová voda povrchový odtok.

V analýze polovodičových součástek

Reflektometrie časové domény se používá při analýze selhání polovodičů jako nedestruktivní metoda pro lokalizaci defektů v pouzdrech polovodičových zařízení. TDR poskytuje elektrický podpis jednotlivých vodivých stop v balíčku zařízení a je užitečný pro určení polohy otevření a zkratů.

Při údržbě elektroinstalace v letectví

Reflektometrie časové oblasti, konkrétně reflektometrie v časové oblasti s rozprostřeným spektrem se používá na leteckém vedení pro preventivní údržbu a lokalizaci poruch.[11] Reflektometrie v časové doméně s rozprostřeným spektrem má tu výhodu, že přesně lokalizuje místo poruchy do vzdálenosti tisíců mil od leteckého vedení. Tuto technologii navíc stojí za zvážení pro monitorování letectví v reálném čase, protože na živých vodičích lze použít reflektometrii s rozprostřeným spektrem.

Ukázalo se, že tato metoda je užitečná pro lokalizaci občasných elektrických poruch.[12]

Reflektometrie s více nosnými v časové doméně (MCTDR) byla také identifikována jako slibná metoda pro integrované nástroje pro diagnostiku nebo řešení problémů s EWIS. Na základě vstřikování signálu s více nosiči (respektující EMC a neškodný pro vodiče) poskytuje tato chytrá technologie informace pro detekci, lokalizaci a charakterizaci elektrických závad (nebo mechanických závad s elektrickými důsledky) v elektroinstalačních systémech. Tvrdou poruchu (zkrat, přerušený obvod) nebo občasné závady lze zjistit velmi rychle, což zvyšuje spolehlivost elektroinstalačních systémů a zlepšuje jejich údržbu.[13]

Viz také

Reference

  1. ^ Tento článek zahrnujepublic domain materiál z Obecná správa služeb dokument: „Federální norma 1037C“.
  2. ^ Katalog Tektronix z roku 1983, strany 140–141, model 1503 používá „pulsy ve tvaru sinusovky 1/2“ a má rozlišení 3 stopy a rozsah 50 000 stop.
  3. ^ Katalog Tektronix 1983, strany 140–141, model 1502 používá krok (doba náběhu systému nižší než 140 ps), má rozlišení 0,6 palce a rozsah 2 000 stop.
  4. ^ 1983 Katalog Tektronix, strana 289, generátor pulsů S-52 má dobu životnosti 25 ps.
  5. ^ Odběrová hlava S-6, Návod k použití, Beaverton, OR: Tektronix, září 1982 První tisk je z roku 1982, ale upozornění na autorská práva zahrnuje rok 1971.
  6. ^ 7S12 TDR / vzorkovač, Návod k použití, Beaverton, OR: Tektronix, listopad 1971
  7. ^ Smth, Paul, Furse, Cynthia and Gunther, Jacob. "Analýza reflektometrie časové domény rozprostřeného spektra pro Lokalizace poruchy drátu Archivováno 12. 2. 2011 v WebCite "IEEE Sensors Journal. Prosinec 2005.
  8. ^ José Chesnoy (ed.), Podmořské optické komunikační systémy, Elsevier Science, 2002, ISBN  0-12-171408-X, str. 171 (COTDR)
  9. ^ Hamilton Avnet číslo dílu P-3636-603-5215
  10. ^ C. Furse, P. Smith, M. Diamond, "Proveditelnost reflektometrie pro nedestruktivní hodnocení předpjatých betonových kotev, „IEEE Journal of Sensors, Vol. 9. No. 11, Nov. 2009, pp. 1322 - 1329
  11. ^ Smith, P., C. Furse a J. Gunther, 2005. „Analýza časové oblasti rozprostřeného spektra reflektometrie pro lokalizaci poruchy drátu Archivováno 2010-12-31 na Wayback Machine ". IEEE Sensors Journal 5: 1469–1478.
  12. ^ Furse, Cynthia, Smith, P., Safavi, Mehdi a M. Lo, Chet. "Proveditelnost senzorů rozprostřeného spektra pro lokalizaci oblouků na živých vodičích Archivováno 2010-05-01 v Archiv. Dnes ". IEEE Sensors Journal. Prosinec 2005.
  13. ^ G. Millet, S.Bruillot, D.Dejardin, N.Imbert, F.Auzanneau, L.Incarbone, M.Olivas, L.Vincent, A.Cremzi, S.Poignant, 2014.„Systém monitorování elektrického zapojení letadla“

Další čtení

  • Hoekstra, P. a A. Delaney, 1974. „Dielektrické vlastnosti půd při UHF a mikrovlnných frekvencích“. Journal of Geophysical Research 79:1699–1708.
  • Smith, P., C. Furse a J. Gunther, 2005. “Analýza reflektometrie časové domény s rozprostřeným spektrem pro lokalizaci poruchy drátu ". Deník senzorů IEEE 5:1469–1478.
  • Waddoups, B., C. Furse a M. Schmidt. "Analýza reflektometrie pro detekci izolace elektroinstalace odřených letadel". Katedra elektrotechniky a výpočetní techniky. Státní univerzita v Utahu.
  • Noborio K. 2001. „Měření obsahu vody v půdě a elektrické vodivosti podle časové doménové reflektometrie: přehled“. Počítače a elektronika v zemědělství 31:213–237.
  • Pettinelli E., A. Cereti, A. Galli a F. Bella, 2002. „Reflektometrie časové oblasti: Kalibrační techniky pro přesné měření dielektrických vlastností různých materiálů“. Recenze vědeckých přístrojů 73:3553–3562.
  • Robinson D.A., S.B. Jones, J. M. Wraith, D. Or a S. P. Friedman, 2003 „Přehled pokroků v měření dielektrické a elektrické vodivosti v půdách pomocí reflektometrie v časové oblasti“. Vadose Zone Journal 2: 444–475.
  • Robinson, DA, CS Campbell, JW Hopmans, BK Hornbuckle, Scott B. Jones, R. Knight, F. Ogden, J. Selker a O. Wendroth, 2008. „Měření vlhkosti půdy pro observatoře ekologického a hydrologického povodí: Přezkoumání." Vadose Zone Journal 7: 358-389.
  • Topp G.C., J.L. Davis a A.P. Annan, 1980. „Elektromagnetické stanovení obsahu vody v půdě: měření v koaxiálních přenosových vedeních“. Výzkum vodních zdrojů 16:574–582.
  • Topp G.C. a W.D. Reynolds, 1998. „Reflektometrie časové oblasti: klíčová technika pro měření hmoty a energie v půdě“. Výzkum zpracování půdy 47:125–132.
  • Topp, G.C. a T.P.A. Ferre, 2002. „Obsah vody“, v Metody půdní analýzy. Část 4. (Ed. J.H. Dane a G.C. Topp), SSSA Book Series No. 5. Soil Science Society of America, Madison WI.
  • Dowding, C.H. & O'Connor, K.M. 2000a. "Porovnání TDR a inklinometrů pro monitorování sklonu". Geotechnická měření - sborník z Geo-Denver2000: 80–81. Denver, CO.
  • Dowding, C.H. & O'Connor, K.M. 2000b. "Monitorování infrastruktury v reálném čase pomocí technologie TDR". Konference NDT o technologii strukturálních materiálů 2000
  • Kane, W.F. & Beck, T.J. 1999. „Pokroky ve svahové instrumentaci: TDR a systémy pro vzdálený sběr dat“. Polní měření v geomechanice, 5. mezinárodní symposium o polních měřeních v geomechanice: 101–105. Singapur.
  • Farrington, S.P. a Sargand, S.M., „Advanced Processing of Time Domain Reflectometry for Improved Slope Stability Monitor“, Sborník z jedenácté výroční konference o kaucích a odpadu z dolu, Říjen 2004.
  • Smolyansky, D. (2004). "Elektronická izolace chyb balíku pomocí TDR". Analýza poruch mikroelektroniky. ASM International. 289–302. ISBN  0-87170-804-3.

externí odkazy