TDR

Въведение

Тъй като разпространението на електромагнитните вълни в кабелите е напречни електромагнитни вълни, чиято скорост на разпространение се влияе от средата около проводника, толкова много изследователи са използвали тази характеристика за извършване на различни приложни изследвания. Наситеността на хидрата в седимента се определя главно от порьозността и водното съдържание на пробата. Понастоящем методите за измерване на съдържанието на вода в седиментите включват главно гравиметричен метод, радиоактивен метод (като метод на разсейване на неутрони, метод на гама лъчи), метод на електрическо съпротивление, наземна радарна технология и рефлектометрия във времева област (TDR).

These methods have their own advantages and disadvantages, and they are suitable for water content measurement research of different scales. The gravimetric method can accurately measure the water content of sediment samples, but its disadvantage is that the sediment needs to be sampled and destroyed, which is not suitable for the water content measurement of hydrate sediment samples; the radioactive method can accurately measure the sediment in situ However, specific test samples need to be calibrated separately, and radioactivity must be prevented from causing physical damage to testers; resistance method also requires specific test samples to be calibrated in order to obtain more accurate measurement values; ground penetrating radar technology It is suitable for in-situ surveys of large-scale water distribution, and uses TimeDomain Reflectometry (TDR) in the water content test of small sample scale, which has non-destructive detection, high accuracy, small calculation amount, and flexibility The advantages of large, convenient real-time field measurement and simultaneous detection of sediment water content and salinity, etc., are more favored by people.

В експеримента с хидрата технологията TDR може да се използва за тестване на водното съдържание на утайката в реално време и обратно изчисляване на насищането на хидрата, за да се постигне целта на тестване на насищането в реално време.

Рефлектометър във времева област

Още през 60-те години на миналия век е произведена технологията Time Domain Reflectometry (TDR). Тази техника включва генериране на стъпково напрежение във времето, което се разпространява по протежение на предавателната линия. Използвайте осцилоскоп, за да откриете отражението от импеданса и измерете съотношението на входното напрежение към отразеното напрежение, за да изчислите прекъснатия импеданс.

През 70-те години се разбра, че трансформацията на Фурие на коефициента на отражение на мрежата като функция на честотата е коефициентът на отражение като функция на времето. Данните, измерени от мрежовия анализатор в честотната област, могат да се използват за изчисляване и показване на мрежовата стъпка и импулсния отговор на мрежата като функция на времето. Традиционната способност на TDR при отражение и предаване увеличава потенциала за измерване в мрежи с ограничен обхват.

В режим на отражение мрежовият анализатор измерва коефициента на отражение като функция на честотата. Коефициентът на отражение може да се разглежда като трансферна функция на падащото напрежение и отразеното напрежение. Обратната трансформация преобразува коефициента на отражение във функция на времето (ударна реакция). Конволюцията на коефициента на отражение и входната стъпка или импулс може да се използва за изчисляване на стъпката и импулсния отговор. В режим на предаване. Мрежовият анализатор измерва трансферната функция на двупортовото устройство като функция на честотата. Обратната трансформация трансформира предавателната функция в импулсната характеристика на двупортовото устройство. Конволюцията на импулсната характеристика и входната стъпка или импулс се използва за изчисляване на стъпката и импулсната характеристика.

Обяснение

TDR измерва отражението по протежение на проводника. За да измери тези отражения, TDR предава инцидентния сигнал към проводника и следи неговото отражение. Ако проводникът има равномерен импеданс и е правилно прекратен, няма да има отражения и оставащият инцидентен сигнал ще бъде погълнат в далечния край чрез прекратяването. Обратно, ако има промяна в импеданса, част от инцидентния сигнал ще бъде отразен обратно към източника. TDR е подобен на радара по принцип.

Размисли

Като цяло отраженията ще имат същата форма като инцидентния сигнал, но техният знак и амплитуда зависят от промяната в нивото на импеданса. Ако има стъпаловидно увеличение на импеданса, тогава отражението ще има същия знак като инцидентния сигнал; ако импедансът постепенно намалява, отражението ще има обратен знак. Големината на отражението зависи не само от размера на промяната на импеданса, но и от загубата на проводника.

Отражението се измерва на изхода/входа на TDR и се показва или чертае като функция на времето. Алтернативно, дисплеят може да се чете въз основа на дължината на кабела, тъй като за дадена среда за предаване скоростта на разпространение на сигнала е почти постоянна.

Поради своята чувствителност към промените на импеданса, TDR може да се използва за проверка на характеристиките на импеданса на кабела, местоположението на съединенията и съединителите и свързаните с тях загуби, както и за оценка на дължината на кабела.

Сигнал за събитие

TDR използва различни сигнали за събития. Някои TDR предават импулси по протежение на проводник; разделителната способност на тези инструменти обикновено е ширината на импулса. Тесните импулси могат да осигурят добра разделителна способност, но имат високочестотни компоненти на сигнала, които са отслабени в дългите кабели. Формата на импулса обикновено е полупериодна синусоидална крива. За по-дълги кабели използвайте по-широки импулсни ширини.

Стъпката за бързо нарастване също се използва. Вместо да търси отражението на целия импулс, инструментът се фокусира върху нарастващия фронт, който може да бъде много бърз. Техническият TDR от 1970 г. използва размер на стъпката с време на нарастване от 25ps.

Има и други TDR, които използват свързани технологии за предаване на сложни сигнали и откриване на отражения. Вижте рефлектометър с разширен спектър във времева област.

Преглед на изследването

Topp и др. за първи път приложи технологията TDR за изследване на връзката между ефективната диелектрична константа на почвата и съдържанието на влага в почвата и доказа, че диелектричната константа има добра връзка със съдържанието на влага на много видове почви и предложи изчислителна формула за оценка съдържание на вода.

Далтън и др. използва същата сонда за измерване на проводимостта на почвата и предложи метода за измерване на проводимостта на технологията TDR.

Nissen et al. използва технологията TDR, за да проведе серия от проучвания за тестване на проводимостта на почвата. Те първо изследваха небалансираната връзка между пространствената чувствителност на сондата с двойна сонда и обема на пробата. След това те проведоха измерване на подвижността на йони. Чрез изследване се установява, че малката сонда е проста, евтина, стабилна и надеждна при теста за проводимост.

Райт и др. използва рефлектометър във времева област за откриване на образуването и разлагането на метанов хидрат и постига задоволителни резултати. Те използваха рефлектометъра във времевата област, за да тестват характеристиките на диелектричната константа на средата и чрез връзката между диелектричната константа и обемното съдържание на вода в средата, те проведоха някои теоретични изследвания върху метановия хидрат. В експеримента те вярват, че след образуването на хидрат, неговата диелектрична константа е подобна на тази на леда. Диелектричната проницаемост на леда е значително различна от тази на водата и е близка до тази на въздуха. При изследването на незамръзналата вода в тундрата много изследователи използваха очевидно различните диелектрични константи на леда и водата, за да измерят съдържанието на вода в незамръзналата вода в тундрата. Райт и др. През 90-те години технологията TDR беше приложена и изследвана в моята страна.

Gong Yuanshi и др. измерва почвената влага в земеделските земи, изследва връзката между процеса на растеж на културите и съдържанието на влага в почвата и оценява изпарението на почвената влага в земеделските земи. Изследване на пространствената променливост на влажността на земеделските земи установи, че технологията TDR има характеристиките на бързо, точно, автоматично и непрекъснато измерване на влажността на почвата в земеделските земи, което осигурява солидна основа за селскостопанско производство. Предполага се, че TDR технологията е най-подходяща за едри и леки почви с ниска проводимост. За органична материя и вид глина или солено-алкална почва, сондата трябва да се подобри или коригира.

Wang Shaoling и други използваха рефлектометрия във времева област, за да наблюдават разпределението на водата и промените във времето в тундрата. Те се възползваха от отчетливо различните диелектрични константи на замръзнала и незамръзнала вода, за да измерят съдържанието на незамръзнала вода в тундрата. Според промените в разпределението на незамръзналата вода по различно време и на различни дълбочини на платото Цинхай-Тибет се установява, че разпределението на водата и моделът на водна миграция също са различни в различните региони. В процеса на замръзване на сезонния замръзнал слой посоката на разпределение и миграция на водата е същата като посоката на топлинния поток в почвата, която е отдолу нагоре. При изследването на сезонния слой на топене е установено, че начинът на попълване на водата влияе върху миграцията на водата.

Ren Tusheng и др. използва рефлектометрия с термичен импулс във времева област за измерване на хидротермалната динамика на почвата и физичните свойства. Ye Yuguang и др. приложи технологията TDR за определяне в реално време на насищането с хидрати в седименти и Diao Shaobo et al. използвани термични TDR Технически измервания на термофизичните параметри на хидрати в пореста среда и други изследвания са постигнали задоволителни резултати. С непрекъснатото развитие на TDR технологията нейните области на приложение стават все по-обширни.

Принцип на работа

TDR детекторът основно се състои от следните части: предавател, приемник, предавателна и приемаща система, сигнален процесор и дисплей. Когато се използва като кабелен детектор, той се свързва директно към тествания кабел.

При съдържание на вода, проводимост и други приложения, той може да бъде свързан със специална сонда според нуждите на теста. Основният принцип на работа е показан на фигура 1.

Предаване на сигнал

When the pulse signal sent by the transmitter propagates in a homogeneous medium, its propagation speed is constant, the propagation speed V, the distance L and the transmission wave propagation The relational formula of t_R for the reflection wave to return to the emission point after reaching the reflection point is as follows:

V=2L/t_R

TDR използва коаксиален кабел като предавателна линия. Коаксиалните кабели са лесни за производство и имат добри екраниращи свойства. Напречните електромагнитни вълни (TEM), напречните електромагнитни вълни (TE) и напречните магнитни вълни (TM) се предават в коаксиални кабели, но напречните електромагнитни вълни са най-често използваните и други форми на вълните трябва да бъдат потиснати. Електромагнитните вълни, излъчвани от TDR, са напречни електромагнитни вълни. Напречните електромагнитни вълни имат само хоризонтално електрическо поле и хоризонтално магнитно поле в предаването. По оста няма електрическо поле и в коаксиалния кабел няма електрическо поле и магнитно поле.

Фигура 2 показва разпределението на електрическите и магнитните полета в коаксиален кабел, които са еднакви и симетрични. Предаването на електромагнитни вълни може да се предава и чрез двойни проводници, но поради по-голямото затихване на електромагнитните вълни при двойното предаване, двойните проводници обикновено не се използват за предаване на дълги разстояния. Вълноводът също е идеален проводник за предаване на електромагнитни вълни, но поради големия си размер, дължината на вълновода трябва да съответства на дължината на вълната на електромагнитната вълна. Следователно при предаването на електромагнитни вълни с висока мощност се използват вълноводи за предаване на електромагнитни вълни.

В допълнение, използването на плоски проводници може също да предава електромагнитни вълни. Всъщност това е модификация на коаксиалните кабели. Той не само има екраниращите свойства на коаксиалните кабели, но също така е лесен за производство и ниски разходи.

Структура на сондата

При теста за водно съдържание структурата на сондата е различна за различните тестове. Кембъл и Хемоваара предложиха седемелектродна сонда за тестване на почвата и течността. Диелектричната константа.

Много изследователи също са проектирали сонди с много структури. Зегелин предложи двуелектродна сонда за тестване на почвени слоеве. Когато многоелектродните електроди измерват диелектричната константа, стойността на теста може да бъде смесена поради различните диелектрични константи на различните слоеве. Структурата на сондата, която обикновено се използва за изпитване на почвата днес, е сонда с три електрода. Робинсън и Фридман предложиха плоски двойни електроди, които могат да откриват по-ефективно. Райт и др. използва коаксиални сонди при изследване на хидрати на природен газ.

При изследването на хидрат на природен газ използваме асиметрична коаксиална сонда според действителната ситуация. Разпределенията на електрическото и магнитното поле на сонди с различни структури са показани на Фиг. 3. От разпределенията на електрическото поле и на магнитното поле на двуелектродната сонда на Фиг. 3, симетрията на разпределението на магнитното поле и електрическото поле е най-лошата, докато симетрията на електрическото поле и магнитното поле на коаксиалната сонда е най-голяма. хубаво е. Разбира се, когато се тества диелектричната константа на течност, коаксиалната сонда е най-добра.

Въпреки това, когато се измерва диелектричната константа на почвата, двуелектродната сонда е най-лесна за вграждане, докато коаксиалната сонда е трудна за вграждане. От гледна точка на ефективността, ефектът на откриване на плоската двуелектродна сонда е по-добър от този на триелектродната сонда, но триелектродната сонда е по-добра от плоския електрод по отношение на разделителната способност на измерване на диелектрика константа на почвения слой. Разбира се, при теста електродът с кръгъл прът между двата плоски електрода може да превъзхожда плоската двуелектродна сонда. Тъй като има и известен екраниращ ефект, а вграждането е същото като плоската двуелектродна сонда. В допълнение към новата структура на сондата се добавя нагревателно устройство и устройство за измерване на температурата за откриване на топлинните характеристики на почвата.

Приложения

Рефлектометрите във времева област обикновено се използват за тестване на място на много дълги кабелни линии, където е непрактично да се копаят или премахват кабели, които могат да бъдат дълги километри. Те са от съществено значение за превантивната поддръжка на комуникационните линии, тъй като TDR може да открие съпротивлението на ставите и съединителите, когато корозират, и могат да намалят изтичането на изолация и да абсорбират влагата много преди да причинят катастрофална повреда. Използвайки TDR, повредата може да бъде точно локализирана в рамките на сантиметри.

TDR също е много полезен инструмент за контрамерки за технически надзор. Те помагат да се определи наличието и местоположението на съединителите на проводниците. Когато е свързан към телефонна линия, леки промени в импеданса на линията, дължащи се на въвеждането на кранове или съединители, ще бъдат показани на екрана на TDR.

TDR оборудването също е незаменим инструмент в съвременния високочестотен анализ на повредата на печатни платки и неговото маршрутизиране на сигнала може да симулира предавателни линии. Чрез наблюдение на отражението могат да бъдат проверени всички незапоени щифтове на решетъчното устройство със сферична решетка. Щифтът на късо съединение също може да бъде открит по подобен начин.

Принципът на TDR се използва в индустриална среда, в различни ситуации, от опаковане на интегрални схеми и тестване до измерване на нивото на течността. В първия се използва рефлектометър във времева област, за да се изолира едно и също дефектно място. Последното се ограничава главно до преработвателната промишленост.

Измерете на ниво

В устройство за измерване на ниво на течност, базирано на TDR, устройството генерира импулси, които се разпространяват по тънък вълновод (наречен сонда) - обикновено метален прът или стоманен кабел. Когато импулсът удари повърхността на измерваната среда, част от импулса се отразява обратно към вълновода. Устройството определя нивото на течността чрез измерване на времевата разлика между предавания импулс и отразения обратен сигнал. Сензорът може да изведе анализираното ниво като непрекъснат аналогов сигнал или превключващ изходен сигнал. В технологията TDR скоростта на импулса се влияе главно от диелектричната константа на средата за разпространение на импулса. Диелектричната константа на средата може да варира значително в зависимост от съдържанието на влага и температурата на средата. В много случаи този ефект може да бъде коригиран без затруднения. В някои случаи, като например при кипене и/или среда с висока температура, калибрирането може да е трудно. По-специално, може да бъде много трудно да се определи височината на пяната (пяната) и нивото на свитата течност в пяната/кипящата среда.

Анкерни кабели, използвани в язовири

Групата за безопасност на язовирните стени на CEA Technologies (CEATI) е консорциум от енергийни организации, които са приложили рефлектометрия във времева област с разширен спектър за идентифициране на потенциални повреди в анкерните кабели на бетонни язовирни стени. В сравнение с други методи за изпитване, основното предимство на рефлектометъра във времевата област е неразрушителният метод на тези изпитвания.

За науките за земята и селското стопанство

TDR се използва за определяне на съдържанието на влага в почвата и порестата среда. През последните две десетилетия беше постигнат значителен напредък в измерването на влагата в почвата, зърнените храни, храната и седиментите. Ключът към успеха на TDR се крие в способността за точно определяне на диелектричната константа на материала (диелектрична константа), тъй като има силна връзка между диелектричната константа на материала и водното му съдържание, както се демонстрира от пионерската работа на Hoekstra и Delaney. (1974) и Topp et al. (през 1980 г.). Скорошни рецензии и справочна работа по тази тема включват Topp и Reynolds (1998), Noborio (2001), Pettinellia и др. (2002), Topp и Ferre (2002) и Robinson et al. (2003 година). Методът TDR е технология за преносна линия и привидната диелектрична константа (Ka) се определя въз основа на времето на разпространение на електромагнитните вълни, разпространяващи се по линията на пренос, обикновено две или повече успоредни метални пръчки, вградени в почвата или утайката. Дължината на сондата обикновено е между 10 и 30 cm и се свързва към TDR чрез коаксиален кабел.

Използване в геотехническото инженерство

Time domain reflectometers are also used to monitor slope motion in various geotechnical settings, including highway cutting, railway subgrades, and open-pit mines (Dowding&O'Connor, 1984, 2000a, 2000b; Kane& Beck, 1999). In stability monitoring applications using TDR, the coaxial cable is installed in a vertical borehole that passes through the area of ​​interest. The electrical impedance at any point along the coaxial cable changes with the deformation of the insulator between the conductors. There is a brittle grout around the cable, which converts earth motion into sudden cable deformation, which is shown as a detectable peak in the deformation trace. Until recently, this technique was relatively insensitive to small slope movements and could not be automated because it relied on humans to detect changes in reflection traces over time. Farrington and Sargand (2004) developed a simple signal processing technique that uses numerical derivatives to extract reliable slope motion indications from TDR data, earlier than traditional interpretation.

Друго приложение на TDR в геотехническото инженерство е да се определи съдържанието на влага в почвата. Това може да стане чрез поставяне на TDR в различни почвени слоеве и измерване на времето, когато валежите започват, и времето, когато TDR показва увеличение на съдържанието на вода в почвата. Дълбочината на TDR (d) е известен фактор, а другият е времето (t), необходимо на водната капка да достигне тази дълбочина; следователно може да се определи скоростта на проникване на вода (v). Това е добър начин за оценка на ефективността на най-добрите практики за управление (BMP) за намаляване на повърхностния отток на дъждовни води.

Анализ на полупроводникови устройства

Рефлектометрията във времева област се използва като неразрушителен метод за локализиране на дефекти в опаковката на полупроводникови устройства при анализ на повреди на полупроводници. TDR предоставя електрически характеристики за всяка проводяща следа в пакета на устройството, които могат да се използват за определяне на местоположението на отворени и къси съединения.

Поддръжка в авиационно окабеляване

Рефлектометри във времева област, особено рефлектометри във времева област с разширен спектър, се използват в авиационно окабеляване за превантивна поддръжка и локализиране на повреда. Рефлектометрите с разширен спектър във времева област имат предимството да локализират точно местата на повреди в рамките на хиляди мили от авиационно окабеляване. В допълнение, тази технология си струва да се обмисли за въздушно наблюдение в реално време, тъй като рефлектометрите с разширен спектър могат да се използват на линията на огъня.

Доказано е, че този метод може да се използва за локализиране на периодични електрически повреди.

Рефлектометрията във времева област с множество носители (MCTDR) също се счита за обещаващ метод за вградени EWIS инструменти за диагностика или отстраняване на проблеми. Тази интелигентна технология се основава на инжектиране на сигнали с множество носители (зачитане на EMC и безвредни за проводниците), за да предостави информация за откриване, местоположение и характеризиране на електрически дефекти (или механични дефекти с електрически последствия) в системата за окабеляване. Твърдите повреди (къси съединения, отворени вериги) или периодични дефекти могат да бъдат открити много бързо, като по този начин се повишава надеждността на системата за окабеляване и се подобрява нейната поддръжка.