TDR

Úvod

Protože šíření elektromagnetických vln v kabelech je příčné elektromagnetické vlnění, jehož rychlost šíření je ovlivněna prostředím obklopujícím vodič, mnoho badatelů tuto vlastnost využívalo k provádění různých aplikovaných výzkumů. Nasycení hydrátem v sedimentu je určeno především porézností a obsahem vody ve vzorku. Mezi metody měření obsahu vody v sedimentech v současnosti patří především gravimetrická metoda, radioaktivní metoda (jako je metoda rozptylu neutronů, metoda gama záření), metoda elektrického odporu, pozemní radarová technologie a reflektometrie v časové oblasti (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.

V experimentu s hydrátem lze technologii TDR použít k testování obsahu vody v sedimentu v reálném čase a zpětnému výpočtu nasycení hydrátu pro dosažení účelu testování nasycení v reálném čase.

Reflektometr časové domény

Již v 60. letech 20. století byla vyrobena technologie Time Domain Reflectometry (TDR). Tato technika zahrnuje generování časového skokového napětí, které se šíří podél přenosového vedení. Pomocí osciloskopu detekujte odraz od impedance a změřte poměr vstupního napětí k odraženému napětí, abyste vypočítali nespojitou impedanci.

V 70. letech se zjistilo, že Fourierova transformace koeficientu odrazu sítě jako funkce frekvence je koeficient odrazu jako funkce času. Data naměřená síťovým analyzátorem ve frekvenční oblasti lze použít k výpočtu a zobrazení kroku sítě a impulsní odezvy sítě jako funkce času. Tradiční schopnost TDR v odrazu a přenosu zvyšuje potenciál pro měření v sítích s omezeným pásmem.

V režimu odrazu měří síťový analyzátor koeficient odrazu jako funkci frekvence. Koeficient odrazu lze považovat za přenosovou funkci dopadajícího napětí a odraženého napětí. Inverzní transformace převádí koeficient odrazu na funkci času (rázová odezva). Konvoluci koeficientu odrazu a vstupního kroku nebo impulsu lze použít k výpočtu krokové a impulsní odezvy. V režimu přenosu. Síťový analyzátor měří přenosovou funkci dvouportového zařízení jako funkci frekvence. Inverzní transformace transformuje přenosovou funkci na impulsní odezvu dvouportového zařízení. Konvoluce impulzní odezvy a vstupního kroku nebo impulzu se používá k výpočtu kroku a impulzní odezvy.

Vysvětlení

TDR měří odraz podél vodiče. Pro měření těchto odrazů přenáší TDR dopadající signál do vodiče a sleduje jeho odraz. Pokud má vodič stejnoměrnou impedanci a je správně zakončen, nedojde k žádným odrazům a zbývající dopadající signál bude absorbován na vzdáleném konci přes zakončení. Naopak, pokud dojde ke změně impedance, část dopadajícího signálu se odrazí zpět ke zdroji. TDR je v principu podobný radaru.

Úvahy

Obecně budou mít odrazy stejný tvar jako dopadající signál, ale jejich znaménko a amplituda závisí na změně úrovně impedance. Pokud dojde ke skokovému nárůstu impedance, pak odraz bude mít stejné znaménko jako dopadající signál; pokud se impedance postupně snižuje, odraz bude mít opačné znaménko. Velikost odrazu závisí nejen na velikosti změny impedance, ale také na ztrátě vodiče.

Odraz je měřen na výstupu/vstupu TDR a zobrazen nebo vykreslen jako funkce času. Alternativně lze displej číst na základě délky kabelu, protože pro dané přenosové médium je rychlost šíření signálu téměř konstantní.

Vzhledem ke své citlivosti na změny impedance lze TDR použít k ověření charakteristik impedance kabelu, umístění spojů a konektorů a souvisejících ztrát a odhadu délky kabelu.

Signál události

TDR používá různé signály událostí. Některé TDR vysílají impulsy podél vodiče; rozlišením těchto přístrojů je obvykle šířka pulsu. Úzké impulsy mohou poskytnout dobré rozlišení, ale mají vysokofrekvenční složky signálu, které jsou utlumeny v dlouhých kabelech. Tvar pulsu je obvykle půlperiodická sinusová křivka. Pro delší kabely použijte širší šířky impulsů.

Rovněž se používá krok rychlého náběhu. Namísto hledání odrazu úplného pulzu se přístroj zaměřuje na náběžnou hranu, která může být velmi rychlá. Technický TDR ze 70. let používal velikost kroku s dobou náběhu 25ps.

Existují další TDR, které používají související technologie k přenosu složitých signálů a detekci odrazů. Viz Reflektometr časové domény rozprostřeného spektra.

Přehled výzkumu

Topp a kol. nejprve aplikoval technologii TDR ke studiu vztahu mezi efektivní dielektrickou konstantou půdy a obsahem vlhkosti v půdě a dokázal, že dielektrická konstanta má dobrý vztah k obsahu vlhkosti v mnoha typech půdy a předložil výpočetní vzorec pro odhad obsah vody.

Dalton a kol. použil stejnou sondu k měření vodivosti půdy a navrhl metodu měření vodivosti technologie TDR.

Nissen a kol. použila technologii TDR k provedení řady studií testování vodivosti půdy. Nejprve studovali nevyvážený vztah mezi prostorovou citlivostí dvousondové sondy a objemem vzorku. Poté provedli měření mobility iontů. Výzkumem bylo zjištěno, že malá sonda je jednoduchá, levná, stabilní a spolehlivá v testu vodivosti.

Wright a kol. použili reflektometr v časové oblasti k detekci tvorby a rozkladu hydrátu methanu a dosáhli uspokojivých výsledků. Použili reflektometr v časové oblasti k testování charakteristik dielektrické konstanty média a prostřednictvím vztahu mezi dielektrickou konstantou a objemovým obsahem vody v médiu provedli některé teoretické studie hydrátu methanu. V experimentu se domnívají, že po vytvoření hydrátu je jeho dielektrická konstanta podobná jako u ledu. Dielektrická konstanta ledu se výrazně liší od dielektrické konstanty vody a je blízká dielektrické konstantě vzduchu. Při studiu nezmrzlé vody v tundře mnoho výzkumníků použilo zjevně odlišné dielektrické konstanty ledu a vody k měření obsahu vody v nezmrzlé vodě v tundře. Wright a kol. V 90. letech 20. století byla v mé zemi aplikována a zkoumána technologie TDR.

Gong Yuanshi a kol. měřila vlhkost půdy v zemědělské půdě, studovala vztah mezi růstovým procesem plodin a obsahem půdní vlhkosti a odhadovala evapotranspiraci půdní vlhkosti zemědělské půdy. Výzkum prostorové variability vlhkosti zemědělské půdy zjistil, že technologie TDR má vlastnosti rychlého, přesného, ​​automatického a kontinuálního měření vlhkosti půdy zemědělské půdy, což poskytuje pevný základ pro zemědělskou produkci. Navrhuje se, že technologie TDR je nejvhodnější pro hrubé a lehké půdy s nízkou vodivostí. Pro organickou hmotu a druh jílu nebo slano-alkalické půdy by měla být sonda vylepšena nebo opravena.

Wang Shaoling a další používali reflektometrii v časové oblasti ke sledování distribuce vody a změn v čase v tundře. Využili zřetelně odlišných dielektrických konstant zmrzlé vody a nezmrzlé vody k měření obsahu nezmrzlé vody v tundře. Podle změn v distribuci nezmrzlé vody v různých časech a v různých hloubkách na Qinghai-Tibet Plateau se zjistilo, že distribuce vody a způsob migrace vody jsou v různých regionech také různé. V procesu zmrazování sezónně zmrzlé vrstvy je směr distribuce a migrace vody stejný jako směr tepelného toku v půdě, a to zdola nahoru. Při studiu sezónní vrstvy tání bylo zjištěno, že způsob doplňování vody ovlivňuje migraci vody.

Ren Tusheng a kol. použila reflektometrii tepelného pulzu v časové doméně k měření hydrotermální dynamiky a fyzikálních vlastností půdy. Ye Yuguang a kol. aplikovali technologii TDR na stanovení saturace hydrátem v sedimentech v reálném čase a Diao Shaobo et al. použitá termální TDR Technická měření termofyzikálních parametrů hydrátů v porézních médiích a další studie dosáhly uspokojivých výsledků. S neustálým vývojem technologie TDR se její oblasti použití stávají stále širší.

Princip fungování

Detektor TDR se v zásadě skládá z těchto částí: vysílač, přijímač, vysílací a přijímací systém, signálový procesor a displej. Při použití jako kabelový detektor je přímo připojen k testovanému kabelu.

V obsahu vody, vodivosti a dalších aplikacích lze připojit speciální sondu podle potřeby testu. Základní princip fungování je znázorněn na obrázku 1.

Přenos signálu

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 používá jako přenosové vedení koaxiální kabel. Koaxiální kabely se snadno vyrábějí a mají dobré stínící vlastnosti. Příčné elektromagnetické vlny (TEM), příčné elektromagnetické vlny (TE) a příčné magnetické vlny (TM) se přenášejí v koaxiálních kabelech, ale nejčastěji se používají příčné elektromagnetické vlny a ostatní průběhy je třeba potlačit. Elektromagnetické vlny vyzařované TDR jsou příčné elektromagnetické vlny. Příčné elektromagnetické vlny mají v přenosu pouze horizontální elektrické pole a horizontální magnetické pole. Podél osy není žádné elektrické pole a v koaxiálním kabelu není žádné elektrické pole a magnetické pole.

Obrázek 2 ukazuje rozložení elektrických a magnetických polí v koaxiálním kabelu, která jsou rovnoměrná a symetrická. Přenos elektromagnetických vln lze přenášet i po dvou drátech, ale vzhledem k většímu útlumu elektromagnetických vln u dvouvodičového přenosu se dvouvodičové obecně nepoužívají pro přenos na dlouhé vzdálenosti. Vlnovod je také ideálním vodičem pro přenos elektromagnetických vln, ale vzhledem k jeho velkým rozměrům musí délka vlnovodu odpovídat vlnové délce elektromagnetického vlnění. Proto se při přenosu elektromagnetických vln o vysokém výkonu používají k přenosu elektromagnetických vln vlnovody.

Kromě toho může použití plochých vodičů také přenášet elektromagnetické vlny. Ve skutečnosti jde o modifikaci koaxiálních kabelů. Má nejen stínící vlastnosti koaxiálních kabelů, ale také se snadno vyrábí a má nízké náklady.

Struktura sondy

V testu obsahu vody je struktura sondy různá pro různé testy. Campbell a Hemovaara navrhli sedmielektrodovou sondu k testování dielektrické konstanty půdy a kapaliny.

Mnoho výzkumníků také navrhlo sondy s mnoha strukturami. Zegelin navrhl dvouelektrodovou sondu pro testování půdních vrstev. Když multielektrodové elektrody měří dielektrickou konstantu, může být hodnota testu smíšená kvůli různým dielektrickým konstantám různých vrstev. Struktura sondy, která se dnes běžně používá pro testování půdy, je tříelektrodová sonda. Robinson a Friedman navrhli ploché dvojité elektrody, které mohou detekovat efektivněji. Wright a kol. použil koaxiální sondy při studiu hydrátů zemního plynu.

Při studiu hydrátu zemního plynu používáme asymetrickou koaxiální sondu podle skutečné situace. Rozložení elektrického a magnetického pole sond s různou strukturou ukazuje obr. 3. Z rozložení elektrického pole a magnetického pole dvouelektrodové sondy na obr. 3 je symetrie rozložení magnetického pole a elektrického pole nejhorší, zatímco symetrie elektrického pole a magnetického pole koaxiální sondy je nejvíce. je to dobré. Při testování dielektrické konstanty kapaliny je samozřejmě nejlepší koaxiální sonda.

Při měření dielektrické konstanty půdy se však nejsnáze zapouští dvouelektrodová sonda, zatímco koaxiální sonda se zapouští obtížně. Z hlediska účinnosti je detekční účinek ploché dvouelektrodové sondy lepší než tříelektrodové sondy, ale tříelektrodová sonda je lepší než plochá elektroda z hlediska rozlišení měření dielektrika. konstanta půdní vrstvy. Samozřejmě, že v testu může být elektroda s kulatou tyčí mezi dvěma plochými elektrodami lepší než plochá dvouelektrodová sonda. Protože má také určitý stínící účinek a zapuštění je stejné jako u ploché dvouelektrodové sondy. Kromě toho je k nové struktuře sondy přidáno topné zařízení a zařízení na měření teploty pro detekci tepelných charakteristik půdy.

Aplikace

Reflektometry v časové oblasti se obvykle používají pro in-situ testování velmi dlouhých kabelových vedení, kde je nepraktické kopat nebo odstraňovat kabely, které mohou být dlouhé kilometry. Jsou nezbytné pro preventivní údržbu komunikačních linek, protože TDR dokáže detekovat odpor spojů a konektorů, když korodují, a mohou snížit únik izolace a absorbovat vlhkost dlouho předtím, než způsobí katastrofální selhání. Pomocí TDR lze chybu přesně lokalizovat v rozmezí centimetrů.

TDR je také velmi užitečný nástroj pro protiopatření technického dozoru. Pomáhají určit přítomnost a umístění drátových konektorů. Při připojení k telefonní lince se na obrazovce TDR zobrazí nepatrné změny impedance linky v důsledku zavedení odboček nebo konektorů.

Zařízení TDR je také nepostradatelným nástrojem v moderní analýze poruch vysokofrekvenčních desek s plošnými spoji a jeho směrování signálu může simulovat přenosové linky. Pozorováním odrazu mohou být prohlédnuty všechny nepájivé kolíky zařízení s mřížkou kulového pole. Zkratovací kolík lze také detekovat podobným způsobem.

Princip TDR se používá v průmyslovém prostředí, v různých situacích, od balení a testování integrovaných obvodů až po měření hladiny kapalin. V prvním případě se k izolaci stejného vadného místa používá reflektometr v časové oblasti. Ten se omezuje především na zpracovatelský průmysl.

Měřte na úrovni

V zařízení pro měření hladiny kapalin na bázi TDR zařízení generuje pulsy, které se šíří podél tenkého vlnovodu (nazývaného sonda) – obvykle kovové tyče nebo ocelového kabelu. Když puls dopadne na povrch měřeného média, část pulsu se odrazí zpět do vlnovodu. Zařízení zjišťuje hladinu kapaliny měřením časového rozdílu mezi vyslaným impulsem a odraženým návratem. Snímač může vydávat analyzovanou úroveň jako spojitý analogový signál nebo spínací výstupní signál. U technologie TDR je rychlost pulsu ovlivněna především dielektrickou konstantou média pro šíření pulsů. Dielektrická konstanta média se může značně lišit v závislosti na obsahu vlhkosti a teplotě média. V mnoha případech lze tento efekt bez potíží napravit. V některých případech, jako například v prostředí s vysokou teplotou a/nebo vroucí teplotou, může být kalibrace obtížná. Zejména může být velmi obtížné určit výšku pěny (pěny) a zhroucenou hladinu kapaliny v pěně/varném médiu.

Kotevní kabely používané v přehradách

Zájmová skupina Dam Safety Interest Group společnosti CEA Technologies (CEATI) je konsorcium energetických organizací, které použilo reflektometrii v časové oblasti s rozprostřeným spektrem k identifikaci potenciálních poruch v kotevních kabelech betonových přehrad. Ve srovnání s jinými testovacími metodami je hlavní výhodou reflektometru v časové oblasti nedestruktivní metoda těchto testů.

Pro vědy o Zemi a zemědělství

TDR se používá ke stanovení obsahu vlhkosti v půdě a porézních médiích. V posledních dvou desetiletích byl učiněn podstatný pokrok v měření vlhkosti v půdě, obilí, potravinách a sedimentech. Klíč k úspěchu TDR spočívá ve schopnosti přesně určit dielektrickou konstantu materiálu (dielektrickou konstantu), protože mezi dielektrickou konstantou materiálu a obsahem vody v něm existuje silný vztah, jak dokazuje průkopnická práce Hoekstra a Delaneyho. (1974) a Topp a kol. (v roce 1980). Nedávné recenze a referenční práce na toto téma zahrnují Topp a Reynolds (1998), Noborio (2001), Pettinellia, atd. (2002), Topp a Ferre (2002) a Robinson a kol. (Rok 2003). Metoda TDR je technologie přenosového vedení a zdánlivá dielektrická konstanta (Ka) se určuje na základě doby šíření elektromagnetických vln šířících se podél přenosového vedení, obvykle dvou nebo více paralelních kovových tyčí uložených v půdě nebo sedimentu. Délka sondy je obvykle mezi 10 a 30 cm a je připojena k TDR pomocí koaxiálního kabelu.

Použití v geotechnice

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.

Další aplikací TDR v geotechnice je stanovení obsahu půdní vlhkosti. Toho lze dosáhnout umístěním TDR do různých vrstev půdy a měřením času, kdy srážky začínají, a času, kdy TDR indikuje zvýšení obsahu vody v půdě. Hloubka TDR (d) je známý faktor a druhý je čas (t), který trvá, než kapka vody dosáhne této hloubky; proto lze určit rychlost pronikání vody (v). To je dobrý způsob, jak vyhodnotit účinnost nejlepších postupů řízení (BMP) při snižování povrchového odtoku dešťové vody.

Analýza polovodičových součástek

Reflektometrie v časové oblasti se používá jako nedestruktivní metoda pro lokalizaci defektu v obalu polovodičového zařízení při analýze selhání polovodiče. TDR poskytuje elektrické charakteristiky pro každou vodivou stopu v balení zařízení, které lze použít k určení místa přerušení a zkratu.

Údržba v letecké elektroinstalaci

Reflektometry v časové oblasti, zejména reflektometry s rozprostřeným spektrem v časové oblasti, se používají v letecké elektroinstalaci pro preventivní údržbu a lokalizaci závad. Reflektometry s rozprostřeným spektrem v časové oblasti mají tu výhodu, že přesně lokalizují místa závad v rámci tisíců mil od letecké elektroinstalace. Navíc tato technologie stojí za zvážení pro letecké sledování v reálném čase, protože v palebné linii lze použít reflektometry s rozprostřeným spektrem.

Bylo prokázáno, že tato metoda může být použita pro lokalizaci občasných elektrických poruch.

Reflektometrie s více nosnými v časové doméně (MCTDR) je také považována za slibnou metodu pro vestavěné diagnostické nástroje EWIS nebo nástroje pro odstraňování problémů. Tato inteligentní technologie je založena na vstřikování signálů s více nosnými (respektující elektromagnetickou kompatibilitu a nezávadnost vodičů) k poskytování informací pro detekci, lokalizaci a charakterizaci elektrických závad (nebo mechanických závad s elektrickými důsledky) v elektroinstalačním systému. Závažné závady (zkraty, přerušené okruhy) nebo občasné závady lze velmi rychle odhalit, čímž se zvyšuje spolehlivost elektroinstalačního systému a zlepšuje se jeho údržba.