Ein Zeitbereichsreflektometer ( Time Domain Reflectometer, TDR ) ist ein elektronisches Instrument, das Zeitbereichsreflektometrie verwendet , um Fehler in Metallkabeln (z. B. Twisted-Pair- Kabel oder Koaxialkabel ) zu charakterisieren und zu lokalisieren . [1] Es kann auch verwendet werden, um Diskontinuitäten in einem Verbinder, einer gedruckten Leiterplatte oder irgendeinem anderen elektrischen Pfad zu lokalisieren . Die äquivalente Vorrichtung für optische Fasern ist ein optisches Zeitbereichsreflektometer .
Beschreibung
Ein TDR misst Reflexionen entlang eines Leiters. Um diese Reflexionen zu messen, sendet das TDR ein einfallendes Signal auf den Leiter und lauscht auf dessen Reflexionen . Wenn der Leiter eine gleichmßige Impedanz hat und richtig abgeschlossen ist , dann wird es keine Reflexionen geben und das verbleibende einfallende Signal wird am fernen Ende durch den Abschluß absorbiert. Wenn Impedanzvariationen auftreten, wird stattdessen ein Teil des einfallenden Signals zur Quelle zurückreflektiert. Ein TDR ist im Prinzip dem Radar ähnlich.
Betrachtung
Im Allgemeinen haben die Reflexionen die gleiche Form wie das einfallende Signal, aber ihr Vorzeichen und ihre Größe hängen von der Änderung des Impedanzpegels ab. Wenn die Impedanz schrittweise erhöht wird, hat die Reflexion das gleiche Vorzeichen wie das einfallende Signal; Wenn es eine schrittweise Abnahme der Impedanz gibt, hat die Reflexion das umgekehrte Vorzeichen. Die Größe der Reflexion hängt nicht nur von der Größe der Impedanzänderung ab, sondern auch von dem Verlust im Leiter.
Die Reflexionen werden am Ausgang / Eingang zum TDR gemessen und als Funktion der Zeit angezeigt oder aufgetragen. Alternativ kann die Anzeige als eine Funktion der Kabellänge gelesen werden, da die Geschwindigkeit der Signalausbreitung für ein gegebenes Übertragungsmedium nahezu konstant ist.
Aufgrund seiner Empfindlichkeit gegenüber Impedanzschwankungen kann ein TDR verwendet werden, um Kabelimpedanzeigenschaften, Spleiß- und Verbinderstellen und damit verbundene Verluste zu verifizieren und Kabellängen abzuschätzen.
Vorfallsignal
TDRs verwenden unterschiedliche Vorfallsignale. Einige TDRs senden einen Impuls entlang des Leiters; Die Auflösung solcher Instrumente ist oft die Breite des Pulses. Schmale Impulse können eine gute Auflösung bieten, aber sie haben hochfrequente Signalkomponenten, die in langen Kabeln gedämpft werden. Die Form des Impulses ist oft eine Halbzyklus-Sinuskurve. [2] Für längere Kabel werden größere Impulsbreiten verwendet.
Es werden auch schnelle Anstiegszeitschritte verwendet. Anstatt nach der Reflexion eines vollständigen Impulses zu suchen, beschäftigt sich das Instrument mit der steigenden Flanke, die sehr schnell sein kann. [3] Ein 1970er Technologie-TDR verwendete Schritte mit einer Anstiegszeit von 25 ps. [4] [5] [6]
Noch andere TDRs übertragen komplexe Signale und detektieren Reflexionen mit Korrelationstechniken. Siehe Spreizspektrum-Zeitbereichsreflektometrie .
Verwendung
Zeitbereichsreflektometer werden üblicherweise zum Testen von sehr langen Kabellängen an Ort und Stelle verwendet, wo es unpraktisch ist, ein kilometerlanges Kabel auszugraben oder zu entfernen. Sie sind unentbehrlich für die vorbeugende Wartung von Telekommunikationsleitungen , da TDRs bei der Korrosion Korrosion an Verbindungen und Steckverbindern erkennen können und die Isolationsverluste erhöhen, da sie Feuchtigkeit abbauen und absorbieren, lange bevor beides zu katastrophalen Ausfällen führt. Mit einem TDR kann ein Fehler innerhalb von Zentimetern lokalisiert werden.
TDRs sind auch sehr nützliche Werkzeuge für technische Überwachungsmaßnahmen , bei denen sie die Existenz und den Standort von Kabelabzweigen bestimmen . Die geringfügige Änderung der Leitungsimpedanz, die durch die Einführung eines Abgriffs oder Spleißens verursacht wird, wird auf dem Bildschirm eines TDR angezeigt, wenn es mit einer Telefonleitung verbunden ist.
TDR-Geräte sind auch ein wesentliches Werkzeug bei der Fehleranalyse moderner Hochfrequenz-Leiterplatten mit Signalspuren, die dazu dienen, Übertragungsleitungen zu emulieren . Durch Beobachten von Reflexionen können irgendwelche abgelöteten Stifte einer Ball-Grid-Array- Vorrichtung detektiert werden. Kurzgeschlossene Pins können ebenfalls in ähnlicher Weise detektiert werden.
Das TDR-Prinzip wird in industriellen Umgebungen in so unterschiedlichen Situationen wie dem Testen von integrierten Schaltungspaketen zum Messen von Flüssigkeitspegeln verwendet. In ersterem Fall wird das Zeitbereichsreflektometer verwendet, um fehlerhafte Stellen in demselben zu isolieren. Letzteres beschränkt sich in erster Linie auf die Prozessindustrie.
In der Füllstandmessung
In einem TDR-basierten Füllstandmessgerät erzeugt das Gerät einen Impuls, der sich durch einen dünnen Wellenleiter (als Sonde bezeichnet) ausbreitet - typischerweise einen Metallstab oder ein Stahlkabel. Wenn dieser Impuls die Oberfläche des zu messenden Mediums trifft, reflektiert ein Teil des Impulses den Wellenleiter zurück. Das Gerät ermittelt den Flüssigkeitsstand durch Messung der Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt des Sendens des Impulses und der Rückkehr der Reflexion. Die Sensoren können den analysierten Füllstand als kontinuierliches Analogsignal ausgeben oder Ausgangssignale schalten. In der TDR-Technologie wird die Impulsgeschwindigkeit in erster Linie durch die Permittivität des Mediums beeinflusst, durch das sich der Impuls ausbreitet, der stark von dem Feuchtigkeitsgehalt und der Temperatur des Mediums abhängen kann. In vielen Fällen kann dieser Effekt ohne unnötige Schwierigkeiten korrigiert werden. In einigen Fällen, beispielsweise in Koch- und / oder Hochtemperaturumgebungen, kann die Korrektur schwierig sein. Insbesondere kann die Bestimmung der Schaumhöhe und des kollabierten Flüssigkeitsspiegels in einem schaumigen / kochenden Medium sehr schwierig sein.
Wird in Ankerkabeln in Dämmen verwendet
Die Interessengemeinschaft für Sicherheitsdämme von CEA Technologies, Inc. (CEATI), einem Konsortium von Stromversorgungsunternehmen, hat Spread-Spektrum-Zeitbereichsreflektometrie eingesetzt , um mögliche Fehler in Ankerankern aus Beton zu identifizieren. Der Hauptvorteil der Time Domain Reflektometrie gegenüber anderen Testmethoden ist die zerstörungsfreie Methode dieser Tests. [8]
Verwendet in den Erd- und Agrarwissenschaften
Hauptartikel: Messung des Feuchtigkeitsgehalts mittels Zeitbereichsreflektometrie
Ein TDR wird verwendet, um den Feuchtigkeitsgehalt in Böden und porösen Medien zu bestimmen . In den letzten zwei Jahrzehnten wurden wesentliche Fortschritte bei der Messung der Feuchtigkeit in Böden, Getreide, Nahrungsmitteln und Sedimenten gemacht. Der Schlüssel zum Erfolg von TDR liegt in seiner Fähigkeit, die Permittivität (Dielektrizitätskonstante) eines Materials aus der Wellenausbreitung genau zu bestimmen, aufgrund der starken Beziehung zwischen der Permittivität eines Materials und seinem Wassergehalt, wie in den Pionierarbeiten von Hoekstra und Delaney gezeigt (1974) und Topp et al. (1980). Jüngste Übersichten und Nachschlagewerke zu diesem Thema umfassen Topp und Reynolds (1998), Noborio (2001), Pettinellia et al. (2002), Topp und Ferre (2002) und Robinson et al. (2003). Das TDR-Verfahren ist eine Übertragungsleitungstechnik und bestimmt die scheinbare Permittivität (Ka) aus der Laufzeit einer elektromagnetischen Welle, die sich entlang einer Übertragungsleitung ausbreitet, üblicherweise zwei oder mehr parallele Metallstäbe, die in Erde oder Sediment eingebettet sind. Die Sonden sind typischerweise zwischen 10 und 30 cm lang und über Koaxialkabel mit dem TDR verbunden.
In geotechnischer Nutzung
Die Zeitbereichsreflektometrie wurde auch verwendet, um die Bewegung der Neigung in einer Vielzahl von geotechnischen Umgebungen zu überwachen, einschließlich Autobahneinschnitten, Schienenbetten und Tagebauminen (Dowding & O'Connor, 1984, 2000a, 2000b; Kane & Beck, 1999). Bei Stabilitätsüberwachungsanwendungen, die TDR verwenden, wird ein Koaxialkabel in einem vertikalen Bohrloch installiert, das durch den betroffenen Bereich verläuft. Die elektrische Impedanz an jedem Punkt entlang eines Koaxialkabels ändert sich mit einer Verformung des Isolators zwischen den Leitern. Ein spröder Mörtel umgibt das Kabel, um die Erdbewegung in eine abrupte Kabelverformung zu übersetzen, die sich als ein nachweisbarer Peak in der Reflexionsspur zeigt. Bis vor kurzem war die Technik relativ unempfindlich gegenüber kleinen Neigungsbewegungen und konnte nicht automatisiert werden, da sie sich auf die menschliche Erkennung von Änderungen der Reflexionsspur im Laufe der Zeit verließ. Farrington und Sargand (2004) entwickelten eine einfache Signalverarbeitungstechnik mit numerischen Ableitungen, um aus den TDR-Daten viel früher als durch konventionelle Interpretation verlässliche Hinweise auf eine Hangbewegung zu erhalten.
Eine weitere Anwendung von TDRs in der Geotechnik ist die Ermittlung des Bodenfeuchtegehalts. Dies kann durch Platzieren der TDRs in verschiedenen Bodenschichten und durch Messen der Zeit des Beginns des Niederschlags und der Zeit, zu der TDR eine Zunahme der Bodenfeuchtigkeit anzeigt, erfolgen. Die Tiefe des TDR (d) ist ein bekannter Faktor und der andere ist die Zeit, die der Wassertropfen braucht, um diese Tiefe (t) zu erreichen; daher kann die Geschwindigkeit der Wasserinfiltration (v) bestimmt werden. Dies ist eine gute Methode, um die Wirksamkeit von Best Management Practices (BMPs) bei der Reduzierung von Regenwasser zu bewerten Oberflächenabfluss .
In der Halbleitergeräte-Analyse
Die Zeitbereichsreflektometrie wird in der Halbleiterfehleranalyse als ein zerstörungsfreies Verfahren zur Lokalisierung von Defekten in Halbleiterbauelementpaketen verwendet. Das TDR liefert eine elektrische Signatur einzelner Leiterbahnen in dem Gerätepaket und ist nützlich zum Bestimmen der Position von Unterbrechungen und Kurzschlüssen.
In der Luftfahrt Verkabelung Wartung
Die Zeitbereichsreflektometrie, insbesondere die Spreizspektrum-Zeitbereichsreflektometrie, wird in der Luftfahrtverkabelung sowohl für die vorbeugende Wartung als auch für die Fehlerortung verwendet. [9] Spread-Spectrum-Zeitbereichsreflektometrie hat den Vorteil, dass die Fehlerstelle innerhalb von Tausenden von Meilen der Luftfahrtverkabelung genau lokalisiert werden kann. Darüber hinaus ist diese Technologie für die Echtzeitüberwachung in der Luftfahrt interessant, da die Spread-Spectrum-Reflektometrie an stromführenden Leitungen eingesetzt werden kann.
Diese Methode hat sich als nützlich erwiesen, um intermittierende elektrische Fehler zu lokalisieren. [10]
Multi-Carrier-Time-Domain-Reflektometrie (MCTDR) wurde ebenfalls als eine vielversprechende Methode für eingebettete EWIS-Diagnose- oder Fehlerbehebungswerkzeuge identifiziert. Durch die Injektion eines Mehrträgersignals (EMV-gerecht und für die Drähte unbedenklich) liefert diese intelligente Technologie Informationen zur Erkennung, Lokalisierung und Charakterisierung elektrischer Defekte (oder mechanischer Defekte mit elektrischen Folgen) in den Verdrahtungssystemen. Harte Fehler (Kurzschluss, offener Stromkreis) oder intermittierende Defekte können sehr schnell erkannt werden, was die Zuverlässigkeit von Verdrahtungssystemen erhöht und deren Wartung verbessert. [11]
