Reflectómetro en el dominio del tiempo
Un reflectómetro en el dominio del tiempo (TDR) es un instrumento electrónico que se utiliza para determinar las características de las líneas eléctricas mediante la observación de formas de onda reflejadas.
Se puede utilizar para caracterizar y localizar fallas en cables metálicos (por ejemplo, par trenzado o cable coaxial). También se puede utilizar para localizar discontinuidades en un conector, placa de circuito impreso o cualquier otra ruta eléctrica.
Descripción
Un TDR mide reflexiones a lo largo de un conductor. Para medir esos reflejos, el TDR transmitirá una señal incidente al conductor y escuchará sus reflejos. Si el conductor tiene una impedancia uniforme y está debidamente terminado, entonces no habrá reflejos y la señal incidente restante será absorbida en el otro extremo por la terminación. En cambio, si hay variaciones de impedancia, parte de la señal incidente se reflejará de regreso a la fuente. Un TDR es similar en principio a un radar.
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 es el tiempo mínimo de subida del sistema. El tiempo de subida total consiste en el tiempo de subida combinado del pulso impulsor y el del osciloscopio o muestreador que monitorea los reflejos.
Método
El análisis TDR comienza con la propagación de un paso o impulso de energía en un sistema y la posterior observación de la energía reflejada por el sistema. Al analizar la magnitud, la duración y la forma de la forma de onda reflejada, se puede determinar la naturaleza de la variación de impedancia en el sistema de transmisión.
Si se coloca una carga resistiva pura en la salida del reflectómetro y se aplica una señal de paso, se observa una señal de paso en la pantalla y su altura es una función de la resistencia. La magnitud del paso producido por la carga resistiva se puede expresar como una fracción de la señal de entrada dada por:
Donde es la impedancia característica de la línea de transmisión.
Reflexión
Por lo general, los reflejos 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 de paso en la impedancia, entonces la reflexión tendrá el mismo signo que la señal incidente; si hay una disminución de paso en la impedancia, la reflexión tendrá el signo opuesto. La magnitud de la reflexión depende no solo de la cantidad del cambio de impedancia, sino también de la pérdida en el conductor.
Los reflejos se miden en la salida/entrada del TDR y se muestran o trazan como una función del tiempo. Alternativamente, la pantalla se puede leer en 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, un TDR se puede usar para verificar las características de impedancia del cable, las ubicaciones de empalmes y conectores y las pérdidas asociadas, y estimar las longitudes de los cables.
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 que se atenúan en cables largos. La forma del pulso es a menudo una sinusoide de medio ciclo. Para cables más largos, se utilizan anchos de pulso más amplios.
También se utilizan pasos de tiempo de subida rápidos. En lugar de buscar el reflejo de un pulso completo, el instrumento se preocupa por el flanco ascendente, que puede ser muy rápido. Un TDR de tecnología de la década de 1970 usaba pasos con un tiempo de subida de 25 ps.
Otros TDR transmiten señales complejas y detectan reflejos con técnicas de correlación. Ver reflectometría de espectro ensanchado en el dominio del tiempo.
Variaciones y extensiones
El dispositivo equivalente para la 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 la transmisión (en lugar de reflejado) impulso. Juntos, proporcionan un medio poderoso para analizar los medios de transmisión eléctricos u ópticos, como el cable coaxial y la fibra óptica.
Existen variaciones de TDR. Por ejemplo, la reflectometría en el dominio del tiempo de espectro ensanchado (SSTDR) se usa para detectar fallas intermitentes en sistemas complejos y de alto ruido, como el cableado de las aeronaves. La reflectometría en el dominio del tiempo óptico coherente (COTDR) es otra variante, utilizada en sistemas ópticos, en los que la señal devuelta se mezcla con un oscilador local y luego se filtra para reducir el ruido.
Trazas de ejemplo
Estas trazas fueron producidas por un reflectómetro en el dominio del tiempo fabricado con un equipo de laboratorio común conectado a aproximadamente 100 pies (30 m) 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.
TDR simple hecho de equipo de laboratorio
TDR simple hecho de equipo de laboratorio
TDR traza de una línea de transmisión con una terminación abierta
TDR traza de una línea de transmisión con una terminación de cortocircuito
TDR traza de una línea de transmisión con una terminación de condensador 1nF
TDR traza de una línea de transmisión con una terminación casi ideal
Rastreo TDR de una línea de transmisión terminada en un osciloscopio de alta impedancia. El trazo azul es el pulso como se ve en el extremo lejano. Se compensa de modo que la base de cada canal sea visible
Rastreo TDR de una línea de transmisión terminada en un osciloscopio de alta impedancia impulsado por una entrada paso de una fuente emparejada. El trazo azul es la señal que se ve en el extremo lejano.
Estas trazas las produjo un TDR comercial con 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). El otro extremo del cable SMA quedó abierto o conectado a diferentes adaptadores. El pulso tarda aproximadamente 3 ns en viajar por el cable, reflejarse y llegar al cabezal de muestreo. Se puede ver una segunda reflexión (alrededor de 6 ns) en algunos trazos; se debe a que el reflejo ve una pequeña falta de coincidencia en el cabezal de muestreo y provoca otro "incidente" onda para viajar por el cable.
TDR de paso en conector macho SMA desconectado (no-precisión abierta)
horizontal: 1 ns/div
vertical: 0,5 ρ/div
TDR de paso en conector APC-7mm desconectado
TDR de paso en APC-7mm de precisión abierto
TDR de paso en la carga de precisión APC-7mm
TDR de paso a cortocircuito de precisión APC-7mm
TDR de paso en APC-7mm de precisión abierto
horizontal: 20 ps/div
TDR de paso en par de conector BNC mate; la reflexión pico es 0.04
horizontal: 200 ps/div
vertical: 20 mρ/div
Explicación
Si el otro extremo del cable está en cortocircuito, es decir, terminado con una impedancia de cero ohmios, y cuando el flanco ascendente del pulso se lanza por el cable, el voltaje en el punto de lanzamiento "aumenta& #34; instantáneamente a un valor dado y el pulso comienza a propagarse en el cable hacia el corto. Cuando el pulso encuentra el corto, no se absorbe energía en el otro extremo. En cambio, un pulso invertido se refleja desde el corto hacia el extremo de lanzamiento. Solo cuando este reflejo finalmente alcanza el punto de lanzamiento, el voltaje en este punto vuelve a caer abruptamente a cero, lo que indica la presencia de un cortocircuito al final del cable. Es decir, el TDR no tiene indicación de que hay un corto al final del cable hasta que su pulso emitido pueda viajar en el cable y el eco pueda regresar. Solo después de este retraso de ida y vuelta, el TDR puede detectar el cortocircuito. Con el conocimiento de la velocidad de propagación de la señal en el cable bajo prueba en particular, se puede medir la distancia al cortocircuito.
Ocurre un efecto similar si el otro extremo del cable es un circuito abierto (terminado en una impedancia infinita). En este caso, sin embargo, el reflejo del otro extremo está polarizado de manera idéntica al pulso original y se suma a él en lugar de cancelarlo. Entonces, después de un retraso de ida y vuelta, el voltaje en el TDR salta abruptamente al doble del voltaje aplicado originalmente.
La terminación perfecta en el otro extremo del cable absorbería por completo el pulso aplicado sin causar ningún reflejo, lo que imposibilitaría la determinación de la longitud real del cable. En la práctica, casi siempre se observa algún pequeño reflejo.
La magnitud de la reflexión se denomina coeficiente de reflexión o ρ. El coeficiente varía de 1 (circuito abierto) a −1 (cortocircuito). El valor de cero significa que no hay reflexión. El coeficiente de reflexión se calcula de la siguiente manera:
Donde Zo se define como la impedancia característica del medio de transmisión y Zt es la impedancia de la terminación en el otro extremo de la línea de transmisión.
Cualquier discontinuidad puede verse como una impedancia de terminación y sustituirse por Zt. Esto incluye cambios abruptos en la impedancia característica. Como ejemplo, un ancho de trazo en una placa de circuito impreso duplicado en su sección media constituiría una discontinuidad. Parte de la energía se reflejará de regreso a la fuente impulsora; la energía restante será transmitida. Esto también se conoce como unión de dispersión.
Uso
Los reflectómetros en el dominio del tiempo se utilizan normalmente para realizar pruebas in situ de tramos de cable muy largos, en los que no es práctico desenterrar o retirar lo que puede ser un cable 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 las uniones y los conectores a medida que se corroen, y aumentan las fugas del aislamiento a medida que se degrada y absorbe la humedad, mucho antes de que provoquen fallas catastróficas. Usando un TDR, es posible identificar una falla con una precisión de centímetros.
Los TDR también son herramientas muy útiles para las contramedidas de vigilancia técnica, donde ayudan a determinar la existencia y ubicación de escuchas telefónicas. El ligero cambio en la impedancia de la línea causado por la introducción de una derivación o empalme aparecerá en la pantalla de un TDR cuando esté conectado a una línea telefónica.
El equipo TDR también es una herramienta esencial en el análisis de fallas de las modernas placas de circuito impreso de alta frecuencia con trazas de señal diseñadas para emular las líneas de transmisión. Al observar los reflejos, se puede detectar cualquier pin sin soldar de un dispositivo de matriz de rejilla de bolas. Los pines en cortocircuito también se pueden detectar de manera similar.
El principio TDR se utiliza 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 en el dominio del tiempo se usa para aislar los sitios que fallan en el mismo. Este último se limita principalmente a la industria de procesos.
En 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 ondas 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 se refleja de regreso a la guía de ondas. El dispositivo determina el nivel del líquido midiendo la diferencia de tiempo entre el momento en que se envió el impulso y el regreso del reflejo. Los sensores pueden generar 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, que puede variar mucho según el contenido de humedad y la temperatura del medio. En muchos casos, este efecto se puede corregir sin demasiada dificultad. En algunos casos, como en ambientes de ebullición y/o alta temperatura, la corrección puede ser difícil. En particular, puede ser muy difícil determinar la altura de la espuma y el nivel de líquido colapsado en un medio espumoso/hirviendo.
Utilizada en cables de anclaje en presas
(feminine)El grupo de interés de seguridad de presas de CEA Technologies, Inc. (CEATI), un consorcio de organizaciones de energía eléctrica, aplicó la reflectometría de dominio de tiempo de espectro ensanchado para identificar fallas potenciales en cables de anclaje de presas de concreto. El beneficio clave de la reflectometría en el dominio del tiempo sobre otros métodos de prueba es el método no destructivo de estas pruebas.
Utilizado en las ciencias agrícolas y de la tierra
Se utiliza un TDR para determinar el contenido de humedad en suelos y medios porosos. Durante las últimas dos décadas, se han realizado avances sustanciales en la medición de la humedad en el suelo, los cereales, los alimentos y los sedimentos. La clave del éxito de TDR es 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 se demostró en los trabajos pioneros. de Hoekstra y Delaney (1974) y Topp et al. (1980). Revisiones recientes y trabajos 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) a partir del tiempo de viaje de una onda electromagnética que se propaga a lo largo de una línea de transmisión, generalmente dos o más varillas metálicas paralelas incrustadas en el suelo o sedimento. Las sondas suelen tener entre 10 y 30 cm de largo y están conectadas al TDR a través de 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, incluidos cortes de carreteras, lechos de rieles y minas a cielo abierto (Dowding & O'Connor, 1984, 2000a, 2000b; Kane & Beck, 1999). En las aplicaciones de monitoreo de estabilidad que utilizan TDR, se instala un cable coaxial en un pozo vertical que pasa por 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 quebradiza rodea el cable para traducir el movimiento de la tierra en una deformación abrupta del cable que aparece como un pico detectable en la traza de reflectancia. Hasta hace poco, la técnica era relativamente insensible a pequeños movimientos de pendiente y no podía automatizarse porque dependía de la detección humana de los cambios en la traza de reflectancia a lo largo del tiempo. Farrington y Sargand (2004) desarrollaron una técnica simple de procesamiento de señales usando derivadas numéricas para extraer indicaciones confiables del movimiento de taludes de los datos TDR mucho antes que mediante 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 del suelo y midiendo el tiempo de inicio de la precipitación y el tiempo en que el 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 tarda la gota de agua en llegar a esa profundidad (t); por 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 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 ubicación de defectos en paquetes de dispositivos semiconductores. El TDR proporciona una firma eléctrica de trazas conductoras individuales en el paquete del dispositivo y es útil para determinar la ubicación de circuitos abiertos y cortocircuitos.
En mantenimiento de cableado aeronáutico
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. La reflectometría de espectro ensanchado en el dominio del tiempo tiene la ventaja de ubicar con precisión la ubicación de la falla dentro de miles de millas 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 se puede emplear en cables con corriente.
Se ha demostrado que este método es útil para localizar fallas eléctricas intermitentes.
La reflectometría en el dominio del tiempo de múltiples portadoras (MCTDR) también se ha identificado como un método prometedor para las herramientas integradas de diagnóstico o solución de problemas de EWIS. Basada en la inyección de una señal multiportadora (respetando EMC e inofensiva 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. Las fallas graves (cortocircuito, circuito abierto) o los defectos intermitentes se pueden detectar muy rápidamente, lo que aumenta la confiabilidad de los sistemas de cableado y mejora su mantenimiento.
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