Un riflettometro nel dominio del tempo ( TDR ) è uno strumento elettronico che utilizza la riflettometria nel dominio del tempo per caratterizzare e individuare i guasti nei cavi metallici (ad esempio, un cavo a doppini intrecciati o un cavo coassiale ). [1] Può anche essere utilizzato per individuare discontinuità in un connettore, scheda a circuito stampato o qualsiasi altro percorso elettrico. Il dispositivo equivalente per fibra ottica è un riflettometro ottico nel dominio del tempo .
Descrizione
Un TDR misura le riflessioni lungo un conduttore. Per misurare tali riflessi, il TDR trasmetterà un segnale incidente sul conduttore e ascolterà i suoi riflessi . Se il conduttore ha un'impedenza uniforme e termina correttamente, allora non ci saranno riflessi e il segnale incidente restante sarà assorbito all'estremità dalla terminazione. Invece, se ci sono variazioni di impedenza, allora parte del segnale incidente verrà riflesso alla sorgente. Un TDR è simile in linea di principio al radar .
Riflessione
Generalmente, i riflessi avranno la stessa forma del segnale incidente, ma il loro segno e la loro magnitudine dipendono dal cambiamento nel livello di impedenza. Se vi è un aumento di gradino dell'impedenza, la riflessione avrà lo stesso segno del segnale incidente; se c'è una diminuzione del gradino nell'impedenza, la riflessione avrà il segno opposto. La grandezza della riflessione dipende non solo dalla quantità della variazione di impedenza, ma anche dalla perdita nel conduttore.
Le riflessioni vengono misurate all'uscita / ingresso al TDR e visualizzate o tracciate in funzione del tempo. In alternativa, il display può essere letto in funzione della lunghezza del cavo poiché la velocità di propagazione del segnale è quasi costante per un determinato mezzo di trasmissione.
A causa della sua sensibilità alle variazioni di impedenza, è possibile utilizzare un TDR per verificare le caratteristiche di impedenza del cavo, le posizioni dei giunti e dei connettori e le perdite associate e stimare le lunghezze dei cavi.
Segnale incidente
I TDR usano segnali incidenti diversi. Alcuni TDR trasmettono un impulso lungo il conduttore; la risoluzione di tali strumenti è spesso la larghezza dell'impulso. Gli impulsi stretti possono offrire una buona risoluzione, ma hanno componenti di segnale ad alta frequenza che sono attenuati nei cavi lunghi. La forma dell'impulso è spesso sinusoidale a metà ciclo. [2] Per cavi più lunghi, vengono utilizzate ampiezze d'impulso più ampie.
Vengono anche utilizzati i passaggi rapidi del tempo di salita . Invece di cercare il riflesso di un impulso completo, lo strumento si occupa del fronte di salita, che può essere molto veloce. [3] Un TDR tecnologico degli anni '70 utilizzava passaggi con un tempo di salita di 25 ps. [4] [5] [6]
Ancora altri TDR trasmettono segnali complessi e rilevano riflessioni con tecniche di correlazione. Vedere la riflettometria nel dominio del tempo a spettro esteso .
uso
I riflettometri del dominio del tempo sono comunemente usati per test sul posto di cavi molto lunghi, dove non è pratico scavare o rimuovere quello che potrebbe essere un cavo lungo chilometri. Sono indispensabili per la manutenzione preventiva delle linee di telecomunicazione , poiché i TDR possono rilevare la resistenza su giunti e connettori mentre corrodono e aumentare la perdita di isolamento mentre degrada e assorbe l'umidità, molto prima che conduca a guasti catastrofici. Utilizzando un TDR, è possibile individuare un errore entro centimetri.
I TDR sono anche strumenti molto utili per contromisure tecniche di sorveglianza , in cui aiutano a determinare l'esistenza e la posizione dei conduttori . Il leggero cambiamento nell'impedenza di linea causata dall'introduzione di un tocco o di una giunzione apparirà sullo schermo di un TDR quando connesso a una linea telefonica.
Le apparecchiature TDR sono anche uno strumento essenziale nell'analisi dei guasti dei moderni circuiti stampati ad alta frequenza con tracce di segnale create per emulare le linee di trasmissione . Osservando i riflessi, è possibile rilevare i piedini non dissaldati di un dispositivo a matrice di sfere . Anche i pin cortocircuitati possono essere rilevati in modo simile.
Il principio TDR viene utilizzato in contesti industriali, in situazioni diverse come la verifica di pacchetti di circuiti integrati per misurare i livelli di liquidi. Nel primo caso, il riflettometro del dominio del tempo viene utilizzato per isolare i siti in errore nello stesso. Quest'ultimo è principalmente limitato all'industria di processo.
Nella misurazione del livello
In un dispositivo di misurazione del livello basato su TDR , il dispositivo genera un impulso che si propaga lungo una guida d'onda sottile (indicata come sonda), in genere un'asta metallica o un cavo d'acciaio. Quando questo impulso colpisce la superficie del mezzo da misurare, parte dell'impulso riflette la guida d'onda. Il dispositivo determina il livello del fluido misurando la differenza di tempo tra quando l'impulso è stato inviato e quando il riflesso è tornato. I sensori possono emettere il livello analizzato come un segnale analogico continuo o segnali di uscita dell'interruttore. Nella tecnologia TDR, la velocità dell'impulso è principalmente influenzata dalla permittività del mezzo attraverso il quale si diffonde l'impulso, che può variare notevolmente dal contenuto di umidità e dalla temperatura del mezzo. In molti casi, questo effetto può essere corretto senza eccessive difficoltà. In alcuni casi, ad esempio in ambienti di ebollizione e / o alte temperature, la correzione può essere difficile. In particolare, determinare l'altezza della schiuma (schiuma) e il livello del liquido collassato in un mezzo schiumoso / bollente può essere molto difficile.
Utilizzato nei cavi di ancoraggio nelle dighe
Il gruppo di interesse sulla sicurezza della diga di CEA Technologies, Inc. (CEATI), un consorzio di organizzazioni di energia elettrica, ha applicato la riflettometria nel dominio del tempo dello spettro di diffusione per identificare potenziali guasti nei cavi di ancoraggio della diga in calcestruzzo. Il vantaggio chiave della riflettometria del dominio del tempo rispetto ad altri metodi di prova è il metodo non distruttivo di questi test. [8]
Utilizzato nelle scienze della terra e dell'agricoltura
Articolo principale: misurazione del contenuto di umidità mediante riflettometria nel dominio del tempo
Un TDR viene utilizzato per determinare il contenuto di umidità nel suolo e nei mezzi porosi. Negli ultimi due decenni sono stati compiuti progressi sostanziali nel misurare l'umidità nel suolo, nei cereali, negli alimenti e nei sedimenti. La chiave del successo di TDR è la sua capacità di determinare accuratamente la permittività (costante dielettrica) di un materiale dalla propagazione dell'onda, a causa della forte relazione tra la permittività di un materiale e il suo contenuto d'acqua, come dimostrato nei lavori pionieristici di Hoekstra e Delaney (1974) e Topp et al. (1980). Recensioni recenti e lavori di riferimento sull'argomento includono Topp and Reynolds (1998), Noborio (2001), Pettinellia et al. (2002), Topp e Ferre (2002) e Robinson et al. (2003). Il metodo TDR è una tecnica della linea di trasmissione e determina la permittività apparente (Ka) dal tempo di viaggio di un'onda elettromagnetica che si propaga lungo una linea di trasmissione, solitamente due o più barre metalliche parallele incorporate nel suolo o nei sedimenti. Le sonde sono in genere lunghe tra 10 e 30 cm e collegate al TDR tramite cavo coassiale.
Nell'uso geotecnico
La riflettometria nel dominio del tempo è stata anche utilizzata per monitorare il movimento delle pendenze in una varietà di impostazioni geotecniche, tra cui tagli autostradali, letti ferroviari e miniere a cielo aperto (Dowding & O'Connor, 1984, 2000a, 2000b; Kane & Beck, 1999). Nelle applicazioni di monitoraggio della stabilità che utilizzano TDR, un cavo coassiale è installato in un pozzo verticale che attraversa la zona di interesse. L'impedenza elettrica in qualsiasi punto lungo un cavo coassiale cambia con la deformazione dell'isolante tra i conduttori. Uno stucco fragile circonda il cavo per tradurre il movimento della terra in una brusca deformazione del cavo che si presenta come un picco rilevabile nella traccia di riflettanza. Fino a poco tempo fa, la tecnica era relativamente insensibile ai movimenti di piccole pendenze e non poteva essere automatizzata perché si basava sulla rilevazione umana di cambiamenti nella traccia di riflettanza nel tempo. Farrington e Sargand (2004) hanno sviluppato una semplice tecnica di elaborazione del segnale utilizzando derivati numerici per estrarre indicazioni affidabili del movimento di pendenza dai dati TDR molto prima rispetto all'interpretazione convenzionale.
Un'altra applicazione dei TDR nell'ingegneria geotecnica è la determinazione del contenuto di umidità del suolo. Questo può essere fatto posizionando i TDR in diversi strati del suolo e misurando il tempo di inizio della precipitazione e il tempo in cui TDR indica un aumento del contenuto di umidità del suolo. La profondità del TDR (d) è un fattore noto e l'altro è il tempo che impiega la goccia d'acqua per raggiungere quella profondità (t); pertanto è possibile determinare la velocità di infiltrazione dell'acqua (v). Questo è un buon metodo per valutare l'efficacia delle Best Management Practices (BMP) nel ridurre l' acqua piovana deflusso superficiale .
Nell'analisi dei dispositivi a semiconduttore
La riflettometria nel dominio del tempo viene utilizzata nell'analisi dei guasti dei semiconduttori come metodo non distruttivo per la localizzazione dei difetti nei pacchetti di dispositivi a semiconduttore. Il TDR fornisce una firma elettrica delle singole tracce conduttive nel pacchetto del dispositivo ed è utile per determinare la posizione di aperture e cortocircuiti.
Nella manutenzione del cablaggio dell'aviazione
Riflettometria nel dominio del tempo, in particolare la riflettometria nel dominio del tempo a spettro esteso viene utilizzata sui collegamenti aerei per la manutenzione preventiva e la localizzazione dei guasti. [9] La riflettometria del dominio del tempo dello spettro di diffusione ha il vantaggio di localizzare con precisione la posizione del guasto all'interno di migliaia di chilometri di collegamenti aerei. Inoltre, questa tecnologia merita di essere presa in considerazione per il monitoraggio dell'aviazione in tempo reale, poiché la riflettometria a spettro esteso può essere utilizzata su cavi sotto tensione.
Questo metodo ha dimostrato di essere utile per localizzare guasti elettrici intermittenti. [10]
Anche la riflettometria del dominio del tempo multi carrier (MCTDR) è stata identificata come un metodo promettente per la diagnosi EWIS integrata o strumenti per la risoluzione dei problemi. Basato sull'iniezione di un segnale multicarrier (rispettando EMC e innocuo per i fili), questa tecnologia intelligente fornisce informazioni per il rilevamento, la localizzazione e la caratterizzazione di difetti elettrici (o difetti meccanici con conseguenze elettriche) nei sistemi di cablaggio. Difetti gravi (cortocircuito, circuito aperto) o difetti intermittenti possono essere rilevati molto rapidamente aumentando l'affidabilità dei sistemi di cablaggio e migliorando la loro manutenzione. [11]
