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Reflectómetro en el dominio del tiempo

Reflectómetro en el dominio del tiempo para la detección de fallas en cables Un reflectómetro de dominio temporal ( TDR ) es un instrumento electrónico que se utiliza para deter...

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Reflectómetro en el dominio del tiempo para la detección de fallas en cables

Un reflectómetro de dominio temporal ( TDR ) es un instrumento electrónico que se utiliza para determinar las características de las líneas eléctricas mediante la observación de pulsos reflejados . Se puede utilizar para caracterizar y localizar fallas en cables metálicos (por ejemplo, cables de par trenzado o cables coaxiales ) [ 1 ] y para localizar discontinuidades en un conector, una placa de circuito impreso o cualquier otra ruta eléctrica.

Descripción

Un reflectómetro de dominio temporal (TDR) mide las reflexiones a lo largo de un conductor. Para ello, transmite una señal incidente al conductor y detecta sus reflexiones . Si el conductor tiene una impedancia uniforme y está correctamente terminado , no habrá reflexiones y la señal incidente restante será absorbida en el extremo opuesto por la terminación. En cambio, si existen variaciones de impedancia, parte de la señal incidente se reflejará de vuelta a la fuente. El principio de funcionamiento de un TDR es similar al de un radar .

Señal (o energía) transmitida y reflejada desde una discontinuidad

La impedancia de la discontinuidad se puede determinar a partir de la amplitud de la señal reflejada. La distancia a la impedancia reflectante también se puede determinar a partir del tiempo que tarda un pulso en regresar. La limitación de este método reside en el tiempo mínimo de subida del sistema . El tiempo total de subida se compone del tiempo de subida combinado del pulso de excitación y el del osciloscopio o muestreador que monitoriza las reflexiones.

Método

El análisis TDR comienza con la propagación de un pulso o escalón de energía en un sistema y la posterior observación de la energía reflejada por este. Al analizar la magnitud, la duración y la forma de la onda reflejada, se puede determinar la naturaleza de la variación de impedancia en el sistema de transmisión.

Si se coloca una carga puramente resistiva en la salida del reflectómetro y se aplica una señal escalón , se observa una señal escalón en la pantalla, cuya amplitud es función de la resistencia. La magnitud del escalón producido por la carga resistiva se puede expresar como una fracción de la señal de entrada, según la siguiente fórmula:

ρ=RL−Z0RL+Z0{\displaystyle \rho ={\frac {R_{L}-Z_{0}}{R_{L}+Z_{0}}}}

dóndeZ0{\displaystyle Z_{0}}es la impedancia característica de la línea de transmisión .

Reflexión

En general, 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 aumento brusco de la impedancia, la reflexión tendrá el mismo signo que la señal incidente; si hay una disminución brusca de la impedancia, la reflexión tendrá el signo opuesto. La magnitud de la reflexión depende no solo de la magnitud del cambio de impedancia, sino también de las pérdidas en el conductor.

Las reflexiones se miden en la entrada/salida del TDR y se visualizan o grafican en función del tiempo. Alternativamente, la visualización puede interpretarse en función de la longitud del cable , ya que la velocidad de propagación de la señal es prácticamente constante para un medio de transmisión determinado.

Debido a su sensibilidad a las variaciones de impedancia, un TDR puede utilizarse para verificar las características de impedancia del cable, la ubicación de los empalmes y conectores y las pérdidas asociadas, así como para estimar la longitud de los cables.

Señal de incidente

Los TDR utilizan diferentes señales incidentes. Algunos transmiten un pulso a lo largo del conductor; la resolución de estos instrumentos suele depender del ancho del pulso. Los pulsos estrechos ofrecen buena resolución, pero presentan componentes de alta frecuencia que se atenúan en cables largos. La forma del pulso suele ser una sinusoide de medio ciclo. [ 2 ] Para cables más largos, se utilizan anchos de pulso mayores.

También se utilizan pasos de tiempo de subida rápidos . En lugar de buscar el reflejo de un pulso completo, el instrumento se centra en el flanco ascendente, que puede ser muy rápido. [ 3 ] Una tecnología TDR de la década de 1970 utilizaba pasos con un tiempo de subida de 25  ps. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]

Otros reflectómetros de dominio temporal (TDR) transmiten señales complejas y detectan reflexiones mediante técnicas de correlación. Véase reflectometría de dominio temporal de espectro ensanchado .

Variaciones y extensiones

El dispositivo equivalente para fibra óptica es un reflectómetro óptico en el dominio del tiempo .

La transmisometría en el dominio del tiempo ( TDT ) es una técnica análoga que mide el impulso transmitido (en lugar del reflejado). Juntas, proporcionan un medio eficaz para analizar medios de transmisión eléctricos u ópticos, como cables coaxiales y fibra óptica .

Existen variantes de TDR. Por ejemplo, la reflectometría de dominio temporal de espectro ensanchado (SSTDR) se utiliza para detectar fallos intermitentes en sistemas complejos y con alto nivel de ruido, como el cableado de aeronaves. [ 7 ] La reflectometría óptica coherente de dominio temporal (COTDR) es otra variante, utilizada en sistemas ópticos, en la que la señal recibida se mezcla con un oscilador local y luego se filtra para reducir el ruido. [ 8 ]

Ejemplos de trazas

Estas trazas se obtuvieron mediante un reflectómetro en el dominio del tiempo, fabricado con material de laboratorio común y conectado a aproximadamente 30 metros (100 pies) de cable coaxial con una impedancia característica de 50 ohmios. La velocidad de propagación de este cable es aproximadamente el 66 % de la velocidad de la luz en el vacío.  

Estas trazas fueron producidas por un TDR comercial utilizando una forma de onda escalonada con un  tiempo de subida de 25 ps, un cabezal de muestreo con un  tiempo de subida de 35 ps y un cable SMA de 18 pulgadas (0,46 m) . [ 9 ] El extremo del cable SMA se dejó abierto o conectado a diferentes adaptadores. El pulso tarda aproximadamente 3 ns en viajar por el cable, reflejarse y llegar al cabezal de muestreo. En algunas trazas se puede observar una segunda reflexión (aproximadamente a los 6 ns); esto se debe a que la reflexión detecta una pequeña discrepancia en el cabezal de muestreo y provoca que otra onda "incidente" viaje por el cable.   

Explicación

If the far end of the cable is shorted, that is, terminated with an impedance of zero ohms, and when the rising edge of the pulse is launched down the cable, the voltage at the launching point "steps up" to a given value instantly and the pulse begins propagating in the cable towards the short. When the pulse encounters the short, no energy is absorbed at the far end. Instead, an inverted pulse reflects back from the short towards the launching end. It is only when this reflection finally reaches the launch point that the voltage at this point abruptly drops back to zero, signaling the presence of a short at the end of the cable. That is, the TDR has no indication that there is a short at the end of the cable until its emitted pulse can travel in the cable and the echo can return. It is only after this round-trip delay that the short can be detected by the TDR. With knowledge of the signal propagation speed in the particular cable-under-test, the distance to the short can be measured.

A similar effect occurs if the far end of the cable is an open circuit (terminated into an infinite impedance). In this case, though, the reflection from the far end is polarized identically with the original pulse and adds to it rather than cancelling it out. So after a round-trip delay, the voltage at the TDR abruptly jumps to twice the originally-applied voltage.

Perfect termination at the far end of the cable would entirely absorb the applied pulse without causing any reflection, rendering the determination of the actual length of the cable impossible. In practice, some small reflection is nearly always observed.

The magnitude of the reflection is referred to as the reflection coefficient or ρ. The coefficient ranges from 1 (open circuit) to −1 (short circuit). The value of zero means that there is no reflection. The reflection coefficient is calculated as follows: ρ=Zt−ZoZt+Zo{\displaystyle \rho ={\frac {Z_{\text{t}}-Z_{\text{o}}}{Z_{\text{t}}+Z_{\text{o}}}}} where Zo is defined as the characteristic impedance of the transmission medium and Zt is the impedance of the termination at the far end of the transmission line.

Any discontinuity can be viewed as a termination impedance and substituted as Zt. This includes abrupt changes in the characteristic impedance. As an example, a trace width on a printed circuit board doubled at its midsection would constitute a discontinuity. Some of the energy will be reflected back to the driving source; the remaining energy will be transmitted. This is also known as a scattering junction.

Usage

Los reflectómetros en el dominio del tiempo (TDR) se utilizan habitualmente para realizar pruebas in situ en tendidos de cable muy largos, donde resulta impracticable excavar o retirar cables de varios kilómetros de longitud. Son indispensables para el mantenimiento preventivo de las líneas de telecomunicaciones , ya que los TDR pueden detectar la resistencia en juntas y conectores a medida que se corroen , así como el aumento de las fugas de aislamiento a medida que se degrada y absorbe humedad, mucho antes de que cualquiera de estos problemas provoque fallos catastróficos. Mediante un TDR, es posible localizar un fallo con una precisión de centímetros.

Los TDR también son herramientas muy útiles para las contramedidas de vigilancia técnica , ya que ayudan a determinar la existencia y ubicación de las escuchas telefónicas . El ligero cambio en la impedancia de la línea causado por la introducción de una toma o empalme se mostrará en la pantalla de un TDR cuando esté conectado a una línea telefónica.

Los equipos TDR son una herramienta esencial para el análisis de fallas en placas de circuitos impresos de alta frecuencia con trazas de señal diseñadas para emular líneas de transmisión . La observación de reflexiones permite detectar pines sin soldar en un dispositivo de matriz de rejilla de bolas . De manera similar, también se pueden detectar pines en cortocircuito.

El principio TDR se utiliza en entornos industriales, en situaciones tan diversas como la prueba de encapsulados de circuitos integrados o la medición de niveles de líquidos. En el primer caso, el reflectómetro de dominio temporal se emplea para identificar puntos de fallo. En el segundo, su aplicación se limita principalmente a la industria de procesos.

En la medición de nivel

En un dispositivo de medición de nivel basado en TDR , se genera un impulso que se propaga a través de una guía de ondas delgada (denominada sonda), generalmente una varilla metálica o un cable de acero. Cuando este impulso incide sobre la superficie del medio a medir, parte de él se refleja de vuelta hacia arriba por la guía de ondas. El dispositivo determina el nivel del fluido midiendo la diferencia de tiempo entre el momento en que se envió el impulso y el momento en que regresó la reflexión. Los sensores pueden emitir el nivel analizado como una señal analógica continua o señales de salida conmutadas. En la tecnología TDR, la velocidad del impulso se ve afectada principalmente por la permitividad del medio a través del cual se propaga el pulso, la cual puede variar considerablemente según el contenido de humedad y la temperatura del medio. En muchos casos, este efecto se puede corregir sin mayor dificultad. En algunos casos, como en entornos de ebullición o altas temperaturas, la corrección puede ser difícil. En particular, determinar la altura de la espuma y el nivel del líquido colapsado en un medio espumoso o en ebullición puede resultar muy difícil.

Se utiliza en cables de anclaje en presas.

El Grupo de Interés en Seguridad de Presas de CEA Technologies, Inc. (CEATI), un consorcio de organizaciones de energía eléctrica, ha aplicado la reflectometría de dominio temporal de espectro ensanchado para identificar posibles fallas en los cables de anclaje de presas de hormigón. La principal ventaja de la reflectometría de dominio temporal sobre otros métodos de ensayo es su carácter no destructivo. [ 10 ]

Utilizado en las ciencias de la tierra y la agricultura.

Un TDR se utiliza para determinar el contenido de humedad en suelos y medios porosos. En las últimas dos décadas, se han logrado avances sustanciales en la medición de la humedad en suelos, granos, alimentos y sedimentos. La clave del éxito del TDR radica en su capacidad para determinar con precisión la permitividad (constante dieléctrica) de un material a partir de la propagación de ondas, debido a la fuerte relación entre la permitividad de un material y su contenido de agua, como demostraron los trabajos pioneros de Hoekstra y Delaney (1974) y Topp et al. (1980). Entre las revisiones y trabajos de referencia recientes sobre el tema se 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 que determina la permitividad aparente (Ka) a partir del tiempo de viaje de una onda electromagnética que se propaga a lo largo de una línea de transmisión, generalmente formada por dos o más varillas metálicas paralelas incrustadas en el suelo o sedimento. Las sondas suelen tener  una longitud de entre 10 y 30 cm y se conectan al TDR mediante un cable coaxial.

En ingeniería geotécnica

La reflectometría en el dominio del tiempo también se ha utilizado para monitorear el movimiento de taludes en una variedad de entornos geotécnicos , incluyendo cortes de carreteras, lechos ferroviarios y minas a cielo abierto (Dowding y O'Connor, 1984, 2000a, 2000b; Kane y Beck, 1999). En las aplicaciones de monitoreo de estabilidad TDR, se instala un cable coaxial en un pozo vertical que atraviesa la región de interés. La impedancia eléctrica en cualquier punto a lo largo de un cable coaxial cambia con la deformación del aislante entre los conductores. Una lechada frágil rodea el cable para convertir el movimiento de tierra en una deformación abrupta del cable que aparece como un pico detectable en el trazado de reflectancia. Hasta hace poco, la técnica era relativamente insensible a pequeños movimientos de taludes y no podía automatizarse porque dependía de la detección humana de cambios en el trazado de reflectancia a lo largo del tiempo. Farrington y Sargand (2004) desarrollaron una técnica simple de procesamiento de señales utilizando derivadas numéricas para extraer indicaciones confiables del movimiento de taludes a partir de los datos TDR mucho antes que con la interpretación convencional.

Otra aplicación de los TDR en ingeniería geotécnica es la determinación del contenido de humedad del suelo. Esto se puede lograr colocando los TDR en diferentes capas del suelo y midiendo el momento de inicio de la precipitación y el momento en que el TDR indica un aumento en el contenido de humedad del suelo. La profundidad del TDR (d) es un factor conocido, al igual que el tiempo que tarda la gota de agua en alcanzar esa profundidad ( t ); por lo tanto, se puede determinar la velocidad de infiltración del agua ( v ). Este es un buen método para evaluar la efectividad de las Mejores Prácticas de Manejo (BMP, por sus siglas en inglés) para reducir la escorrentía superficial de aguas pluviales .

En el análisis de dispositivos semiconductores

La reflectometría en el dominio del tiempo se utiliza en el análisis de fallos de semiconductores como método no destructivo para la localización de defectos en los encapsulados de dispositivos semiconductores. La TDR proporciona una señal eléctrica de las pistas conductoras individuales en el encapsulado del dispositivo y resulta útil para determinar la ubicación de circuitos abiertos y cortocircuitos.

Mantenimiento del cableado aeronáutico

La reflectometría en el dominio del tiempo, específicamente la reflectometría de espectro ensanchado en el dominio del tiempo, se utiliza en el cableado aeronáutico tanto para el mantenimiento preventivo como para la localización de fallas. [ 11 ] La reflectometría de espectro ensanchado en el dominio del tiempo tiene la ventaja de localizar con precisión la ubicación de la falla en miles de kilómetros de cableado aeronáutico. Además, esta tecnología es digna de consideración para el monitoreo aeronáutico en tiempo real, ya que la reflectometría de espectro ensanchado puede emplearse en cables energizados.

Se ha demostrado que este método es útil para localizar fallas eléctricas intermitentes. [ 12 ]

La reflectometría en el dominio del tiempo multicarrier (MCTDR) también se ha identificado como un método prometedor para herramientas de diagnóstico o resolución de problemas en sistemas de cableado eléctrico integrados. Basada en la inyección de una señal multicarrier (que respeta la compatibilidad electromagnética y es inocua para los cables), esta tecnología inteligente proporciona información para la detección, localización y caracterización de defectos eléctricos (o defectos mecánicos con consecuencias eléctricas) en los sistemas de cableado. Se pueden detectar muy rápidamente fallas permanentes (cortocircuito, circuito abierto) o defectos intermitentes, lo que aumenta la confiabilidad de los sistemas de cableado y mejora su mantenimiento. [ 13 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Este artículo incorpora material de dominio público de la Norma Federal 1037C . Administración de Servicios Generales . Archivado del original el 22 de enero de 2022.Dominio público 
  2. ↑ Catálogo Tektronix de 1983, páginas 140-141, el 1503 utiliza "pulsos con forma de 1/2 seno" y tiene una resolución de 3 pies y un alcance de 50 000 pies.
  3. ↑ Catálogo Tektronix de 1983, páginas 140-141, el 1502 utiliza un paso (tiempo de subida del sistema inferior a 140 ps), tiene una resolución de 0,6 pulgadas y un alcance de 2000 pies.
  4. ↑ Catálogo Tektronix de 1983, página 289, el generador de pulsos S-52 tiene un tiempo de subida de 25 ps.
  5. ↑ Cabezal de muestreo S-6 , Manual de instrucciones, Beaverton, OR: Tektronix, septiembre de 1982 La primera edición es de 1982, pero el aviso de derechos de autor incluye 1971.
  6. ↑ 7S12 TDR/Muestreador , Manual de instrucciones, Beaverton, OR: Tektronix, noviembre de 1971
  7. ↑ Smith, Paul, Furse, Cynthia y Gunther, Jacob. "Análisis de reflectometría de dominio temporal de espectro ensanchado para la localización de fallas en cables . Archivado el 31 de diciembre de 2010 en Wayback Machine ". IEEE Sensors Journal. Diciembre de 2005.
  8. ↑ José Chesnoy (ed.), Sistemas de comunicación por fibra óptica submarina , Elsevier Science, 2002, ISBN 0-12-171408-X, pág. 171 (COTDR)
  9. ↑ Número de pieza de Hamilton Avnet: P-3636-603-5215
  10. ↑ C. Furse , P. Smith, M. Diamond, " Viabilidad de la reflectometría para la evaluación no destructiva de anclajes de hormigón pretensado ", IEEE Journal of Sensors, vol. 9, n.º 11, noviembre de 2009, págs. 1322-1329
  11. ↑ Smith, P., C. Furse y J. Gunther, 2005. "Análisis de reflectometría de dominio temporal de espectro ensanchado para la localización de fallas en cables. Archivado el 31/12/2010 en Wayback Machine ". IEEE Sensors Journal 5:1469–1478.
  12. ↑ Furse, Cynthia , Smith, P., Safavi, Mehdi y M. Lo, Chet. " Viabilidad de los sensores de espectro ensanchado para la localización de arcos en cables con corriente. Enlace obsoleto archivado el 1 de mayo de 2010 en archive.today ". IEEE Sensors Journal. Diciembre de 2005.
  13. ^ G.Millet, S.Bruillot, D.Dejardin, N.Imbert, F.Auzanneau, L.Incarbone, M.Olivas, L.Vincent, A.Cremzi, S.Poignant, 2014. "Sistema de monitoreo de cableado eléctrico de aeronaves"

Lecturas adicionales

  • Hoekstra, P. y A. Delaney, 1974. "Propiedades dieléctricas de los suelos en frecuencias UHF y de microondas". Journal of Geophysical Research 79 :1699–1708.
  • Smith, P., C. Furse y J. Gunther, 2005. " Análisis de reflectometría de dominio temporal de espectro ensanchado para la localización de fallas en cables ". IEEE Sensors Journal 5 :1469–1478.
  • Waddoups, B., C. Furse y M. Schmidt. «Análisis de reflectometría para la detección de aislamiento de cableado de aeronaves rozado». Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática. Universidad Estatal de Utah.
  • Noborio K. 2001. "Medición del contenido de agua del suelo y la conductividad eléctrica mediante reflectometría en el dominio del tiempo: una revisión". Computers and Electronics in Agriculture 31 :213–237.
  • Pettinelli E., A. Cereti, A. Galli y F. Bella, 2002. «Reflectometría en el dominio del tiempo: técnicas de calibración para la medición precisa de las propiedades dieléctricas de diversos materiales». Review of Scientific Instruments 73 :3553–3562.
  • Robinson DA, SB Jones, JM Wraith, D. Or y SP Friedman, 2003 "Una revisión de los avances en las mediciones de conductividad dieléctrica y eléctrica en suelos mediante reflectometría en el dominio del tiempo". Vadose Zone Journal 2 : 444–475.
  • Robinson, DA, CS Campbell, JW Hopmans, BK Hornbuckle, Scott B. Jones, R. Knight, F. Ogden, J. Selker y O. Wendroth, 2008. "Medición de la humedad del suelo para observatorios ecológicos e hidrológicos a escala de cuenca: una revisión". Vadose Zone Journal 7: 358-389.
  • Topp GC, JL Davis y AP Annan, 1980. "Determinación electromagnética del contenido de agua en el suelo: mediciones en líneas de transmisión coaxiales". Water Resources Research 16 :574–582.
  • Topp GC y WD Reynolds, 1998. "Reflectometría en el dominio del tiempo: una técnica fundamental para medir la masa y la energía en el suelo". Soil Tillage Research 47 :125–132.
  • Topp, GC y TPA Ferre, 2002. "Contenido de agua", en Métodos de análisis de suelos. Parte 4. (Ed. JH Dane y GC Topp), Serie de libros SSSA No. 5. Sociedad de Ciencias del Suelo de América, Madison, WI.
  • Dowding, CH y O'Connor, KM 2000a. "Comparación de TDR e inclinómetros para el monitoreo de taludes". Mediciones geotécnicas: Actas de Geo-Denver 2000 : 80-81. Denver, CO.
  • Dowding, CH y O'Connor, KM 2000b. "Monitoreo en tiempo real de infraestructura mediante tecnología TDR". Conferencia NDT sobre tecnología de materiales estructurales 2000
  • Kane, WF y Beck, TJ 1999. "Avances en la instrumentación de taludes: TDR y sistemas de adquisición remota de datos". Mediciones de campo en geomecánica, 5.º Simposio Internacional sobre Mediciones de Campo en Geomecánica : 101-105. Singapur.
  • Farrington, SP y Sargand, SM, "Procesamiento avanzado de reflectometría en el dominio del tiempo para una mejor monitorización de la estabilidad de taludes", Actas de la undécima conferencia anual sobre relaves y residuos mineros , octubre de 2004.
  • Smolyansky, D. (2004). "Aislamiento de fallas en paquetes electrónicos mediante TDR". Análisis de fallas en microelectrónica . ASM International. págs. 289–302 . ISBN  0-87170-804-3.
  • Scarpetta, M.; Spadavecchia, M.; Adamo, F.; Ragolia, MA; Giaquinto, N. «Detección y caracterización de múltiples discontinuidades en cables mediante reflectometría en el dominio del tiempo y redes neuronales convolucionales». Sensors 2021, 21, 8032. https://doi.org/10.3390/s21238032
  • Duncan, D.; Trabold, TA; Mohr, CL; Berrett, MK "MEDICIÓN DE LA FRACCIÓN DE VACÍO LOCAL A TEMPERATURA Y PRESIÓN ELEVADAS". Tercera Conferencia Mundial sobre Transferencia de Calor Experimental, Mecánica de Fluidos y Termodinámica, Honolulu, Hawái, EE. UU., 31 de octubre - 5 de noviembre de 1993. https://www.mohr-engineering.com/guided-radar-liquid-level-documents-EFP.php
  • Capacitación avanzada en radiodetección : los fundamentos de los TDR.
  • Comienzan los trabajos para reparar la red cortada.
  • Teoría de la reflectometría en el dominio del tiempo (PDF) , Nota de aplicación, Keysight Technologies, 31 de mayo de 2013, AN-1304-2, archivado (PDF) del original el 9 de octubre de 2022 , consultado el 13 de febrero de 2012.
  • DeWinter, Paul; Ashley, Bill (2011), Tecnología TDR de paso frente a pulso (PDF) , Nota de aplicación, AEA Technology, Inc., AN201, archivado del original (PDF) el 26 de agosto de 2014
  • TDR para cables digitales – TDR para cables de microondas/RF y digitales
  • TDR vs FDR: Distancia a la falla