Un reflectómetro en el dominio del tiempo ( TDR ) es un instrumento electrónico que utiliza reflectometría en el dominio del tiempo para caracterizar y localizar fallas en cables metálicos (por ejemplo, cable de par trenzado o cable coaxial ). [1] También se puede usar para localizar discontinuidades en un conector, placa de circuito impreso o cualquier otro camino eléctrico. El dispositivo equivalente para fibra óptica es un reflectómetro óptico en el dominio del tiempo .
Descripción
Un TDR mide reflexiones a lo largo de un conductor. Para medir esas reflexiones, el TDR transmitirá una señal incidente al conductor y escuchará sus reflexiones . Si el conductor tiene una impedancia uniforme y está terminado correctamente, no habrá reflejos y la señal incidente restante será absorbida en el extremo por la terminación. En cambio, si hay variaciones de impedancia, parte de la señal incidente se reflejará nuevamente en la fuente. Un TDR es similar en principio al radar .
Reflexión
Generalmente, las reflexiones tendrán la misma forma que la señal incidente, pero su signo y magnitud dependen del cambio en el nivel de impedancia. Si hay un incremento de paso en la impedancia, entonces la reflexión tendrá el mismo signo que la señal incidente; si hay un paso de disminución en la impedancia, la reflexión tendrá el signo opuesto. La magnitud de la reflexión depende no solo de la cantidad de cambio de impedancia, sino también de la pérdida en el conductor.
Las reflexiones se miden en la salida / entrada al TDR y se muestran o grafican en función del tiempo. Alternativamente, la pantalla se puede leer como una función de la longitud del cable porque la velocidad de propagación de la señal es casi constante para un medio de transmisión dado.
Debido a su sensibilidad a las variaciones de impedancia, se puede usar un TDR para verificar las características de impedancia del cable, la ubicación del empalme y del conector y las pérdidas asociadas, y estimar la longitud del cable.
Señal de incidente
Los TDR usan diferentes señales de incidentes. Algunos TDR transmiten un pulso a lo largo del conductor; la resolución de tales instrumentos es a menudo el ancho del pulso. Los pulsos estrechos pueden ofrecer una buena resolución, pero tienen componentes de señal de alta frecuencia atenuados en cables largos. La forma del pulso es a menudo un medio ciclo sinusoidal. [2] Para cables más largos, se usan anchos de pulso más amplios.
También se usan pasos de tiempo de subida rápida . En lugar de buscar el reflejo de un pulso completo, el instrumento se ocupa del borde ascendente, que puede ser muy rápido. [3] Un TDR de tecnología de los años 70 utilizaba pasos con un tiempo de subida de 25 ps. [4] [5] [6]
Todavía otros TDR transmiten señales complejas y detectan reflexiones con técnicas de correlación. Ver reflectometría de dominio de tiempo de espectro expandido .
Uso
Los reflectómetros de dominio del tiempo se usan comúnmente para realizar pruebas in situ de tendidos de cables muy largos, donde no es práctico desenterrar o quitar lo que puede ser un cable de kilómetros de longitud. Son indispensables para el mantenimiento preventivo de las líneas de telecomunicaciones , ya que los TDR pueden detectar resistencia en las juntas y conectores a medida que se corroen , y aumentar las fugas de aislamiento a medida que se degrada y absorbe la humedad mucho antes de que conduzca a fallas catastróficas. Usando un TDR, es posible identificar una falla dentro de centímetros.
Los TDR también son herramientas muy útiles para las contramedidas de vigilancia técnica , donde ayudan a determinar la existencia y la ubicación de las tomas de cable . El ligero cambio en la impedancia de línea causada por la introducción de un toque o empalme se mostrará en la pantalla de un TDR cuando esté conectado a una línea telefónica.
El equipo TDR es también una herramienta esencial en el análisis de fallas de los modernos tableros de circuitos impresos de alta frecuencia con trazas de señales diseñadas para emular las líneas de transmisión . Al observar los reflejos, se pueden detectar los pines desoldados de un dispositivo de matriz de rejilla esférica . Los pines cortocircuitados también se pueden detectar de manera similar.
El principio TDR se usa en entornos industriales, en situaciones tan diversas como la prueba de paquetes de circuitos integrados para medir niveles de líquidos. En el primero, el reflectómetro del dominio del tiempo se usa para aislar sitios que fallan en el mismo. Este último se limita principalmente a la industria de procesos.
En la medición de nivel
En un dispositivo de medición de nivel basado en TDR , el dispositivo genera un impulso que se propaga por una guía de onda delgada (denominada sonda), generalmente una varilla de metal o un cable de acero. Cuando este impulso golpea la superficie del medio a medir, parte del impulso refleja una copia de seguridad de la guía de onda. El dispositivo determina el nivel de fluido midiendo la diferencia de tiempo entre el momento en que se envió el impulso y el momento en que regresó el reflejo. Los sensores pueden emitir el nivel analizado como una señal analógica continua o señales de salida del interruptor. En la tecnología TDR, la velocidad de impulso se ve afectada principalmente por la permitividad del medio a través del cual se propaga el pulso, que puede variar mucho según el contenido de humedad y la temperatura del medio. En muchos casos, este efecto puede corregirse sin dificultad excesiva. En algunos casos, como en entornos de ebullición y / o alta temperatura, la corrección puede ser difícil. En particular, determinar la altura de espuma (espuma) y el nivel de líquido colapsado en un medio espumoso / hirviendo puede ser muy difícil.
Utilizado en cables de anclaje en presas
El grupo de interés de seguridad de presas de CEA Technologies, Inc. (CEATI), un consorcio de organizaciones de energía eléctrica, ha aplicado la reflectometría de dominio de tiempo de espectro expandido para identificar posibles fallas en los cables de anclaje de presas de concreto. El beneficio clave de la reflectometría de Time Domain sobre otros métodos de prueba es el método no destructivo de estas pruebas. [8]
Utilizado en la tierra y las ciencias agrícolas
Artículo principal: Medición del contenido de humedad mediante reflectometría en el dominio del tiempo
Un TDR se usa para determinar el contenido de humedad en el suelo y los medios porosos. En las últimas dos décadas, se han logrado avances sustanciales en la medición de la humedad en el suelo, el grano, los alimentos y los sedimentos. La clave del éxito del TDR es su capacidad de determinar con precisión la permitividad (constante dieléctrica) de un material de propagación de onda, debido a la fuerte relación entre la permitividad de un material y su contenido de agua, como se demostró en los trabajos pioneros de Hoekstra y Delaney (1974) y Topp et al. (1980). Las revisiones recientes y el trabajo de referencia sobre el tema incluyen, Topp y Reynolds (1998), Noborio (2001), Pettinellia et al. (2002), Topp y Ferre (2002) y Robinson et al. (2003). El método TDR es una técnica de línea de transmisión, y determina la permitividad aparente (Ka) del tiempo de viaje de una onda electromagnética que se propaga a lo largo de una línea de transmisión, generalmente dos o más varillas de metal paralelas incrustadas en el suelo o en los sedimentos. Las sondas suelen tener entre 10 y 30 cm de longitud y están conectadas al TDR a través de un cable coaxial.
En el uso geotécnico
La reflectometría en el dominio del tiempo también se ha utilizado para monitorear el movimiento de la pendiente en una variedad de entornos geotécnicos que incluyen cortes de carreteras, rieles de ferrocarril y minas a cielo abierto (Dowding y O'Connor, 1984, 2000a, 2000b; Kane y Beck, 1999). En las aplicaciones de monitoreo de estabilidad que usan TDR, se instala un cable coaxial en un pozo vertical que pasa a través de la región de interés. La impedancia eléctrica en cualquier punto a lo largo de un cable coaxial cambia con la deformación del aislador entre los conductores. Una lechada frágil rodea el cable para traducir el movimiento de la tierra en una abrupta deformación del cable que se muestra como un pico detectable en la traza de reflectancia. Hasta hace poco, la técnica era relativamente insensible a los movimientos de poca pendiente y no podía automatizarse porque dependía de la detección humana de cambios en la traza de reflectancia a lo largo del tiempo. Farrington y Sargand (2004) desarrollaron una técnica de procesamiento de señal simple utilizando derivados numéricos para extraer indicaciones fiables del movimiento de la pendiente a partir de los datos de TDR mucho antes que la interpretación convencional.
Otra aplicación de los TDR en ingeniería geotécnica es determinar el contenido de humedad del suelo. Esto se puede hacer colocando los TDR en diferentes capas de suelo y midiendo el tiempo de inicio de la precipitación y el tiempo que TDR indica un aumento en el contenido de humedad del suelo. La profundidad del TDR (d) es un factor conocido y el otro es el tiempo que le lleva a la gota de agua alcanzar esa profundidad (t); por lo tanto, se puede determinar la velocidad de infiltración de agua (v). Este es un buen método para evaluar la efectividad de las Mejores Prácticas de Manejo (BMP) en la reducción de aguas pluviales escorrentía superficial
En el análisis de dispositivos semiconductores
La reflectometría en el dominio del tiempo se utiliza en el análisis de fallas de semiconductores como un método no destructivo para la localización de defectos en paquetes de dispositivos semiconductores. El TDR proporciona una firma eléctrica de los rastros conductores individuales en el paquete del dispositivo, y es útil para determinar la ubicación de los abre y los cortos.
En el mantenimiento del cableado de aviación
La reflectometría en el dominio del tiempo, específicamente la reflectometría en el dominio del tiempo de espectro ensanchado, se utiliza en el cableado de la aviación tanto para el mantenimiento preventivo como para la localización de fallas. [9] La reflectometría de dominio del tiempo de espectro expandido tiene la ventaja de ubicar con precisión la ubicación de la falla dentro de miles de kilómetros de cableado de aviación. Además, vale la pena considerar esta tecnología para el monitoreo de la aviación en tiempo real, ya que la reflectometría de espectro ensanchado puede emplearse en cables activos.
Este método ha demostrado ser útil para localizar fallas eléctricas intermitentes. [10]
La reflectometría en el dominio del tiempo de múltiples portadoras (MCTDR) también se ha identificado como un método prometedor para el diagnóstico integrado de EWIS o herramientas de solución de problemas. Basado en la inyección de una señal multicarrier (respetando EMC e inofensivo para los cables), esta tecnología inteligente proporciona información para la detección, localización y caracterización de defectos eléctricos (o defectos mecánicos que tienen consecuencias eléctricas) en los sistemas de cableado. Los defectos de fallas duras (cortocircuito, circuito abierto) o intermitentes se pueden detectar muy rápidamente aumentando la confiabilidad de los sistemas de cableado y mejorando su mantenimiento. [11]
