TDR

Johdanto

Koska sähkömagneettisten aaltojen eteneminen kaapeleissa on poikittaisia ​​sähkömagneettisia aaltoja, joiden etenemisnopeuteen vaikuttaa johdinta ympäröivä väliaine, niin monet tutkijat ovat käyttäneet tätä ominaisuutta erilaisissa soveltavissa tutkimuksissa. Sedimentin hydraattikyllästyminen määräytyy pääasiassa näytteen huokoisuuden ja vesipitoisuuden perusteella. Tällä hetkellä sedimenttien vesipitoisuuden mittausmenetelmiä ovat pääasiassa gravimetrinen menetelmä, radioaktiivinen menetelmä (kuten neutronien sirontamenetelmä, gammasädemenetelmä), sähkövastusmenetelmä, maatutkatekniikka ja aika-aluereflektorimetria (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.

Hydraattikokeessa TDR-tekniikkaa voidaan käyttää sedimentin vesipitoisuuden testaamiseen reaaliajassa ja hydraatin kyllästymisen takaisinlaskemiseen, jotta saavutetaan kylläisyyden reaaliaikaisen testauksen tarkoitus.

Time Domain Reflectometer

Jo 1960-luvulla tuotettiin Time Domain Reflectometry (TDR) -tekniikkaa. Tämä tekniikka sisältää aika-askeljännitteen generoinnin, joka etenee siirtolinjaa pitkin. Käytä oskilloskooppia impedanssin heijastuksen havaitsemiseen ja mittaa tulojännitteen suhde heijastuneeseen jännitteeseen epäjatkuvan impedanssin laskemiseksi.

1970-luvulla opittiin, että verkon heijastuskertoimen Fourier-muunnos taajuuden funktiona on heijastuskerroin ajan funktiona. Verkkoanalysaattorin taajuusalueella mittaamien tietojen avulla voidaan laskea ja näyttää verkon verkkoaskel ja impulssivaste ajan funktiona. Perinteinen TDR-kyky heijastuksessa ja lähetyksessä lisää mittausmahdollisuuksia kaistarajoitetuissa verkoissa.

Heijastustilassa verkkoanalysaattori mittaa heijastuskertoimen taajuuden funktiona. Heijastuskerrointa voidaan pitää tulojännitteen ja heijastuneen jännitteen siirtofunktiona. Käänteinen muunnos muuntaa heijastuskertoimen ajan funktioksi (shokkivaste). Heijastuskertoimen konvoluutiota ja tuloaskelta tai pulssia voidaan käyttää askel- ja impulssivasteen laskemiseen. Lähetystilassa. Verkkoanalysaattori mittaa kaksiporttisen laitteen siirtofunktiota taajuuden funktiona. Käänteinen muunnos muuttaa siirtofunktion kaksiporttisen laitteen impulssivasteeksi. Impulssivasteen ja syöttöaskeleen tai pulssin konvoluutiota käytetään askel- ja impulssivasteen laskemiseen.

Selitys

TDR mittaa heijastuksen johtimessa. Näiden heijastusten mittaamiseksi TDR lähettää tulevan signaalin johtimelle ja tarkkailee sen heijastusta. Jos johtimella on tasainen impedanssi ja se on päätetty oikein, heijastuksia ei tapahdu ja jäljelle jäävä tuleva signaali absorboituu päätteen etäpäästä. Päinvastoin, jos impedanssi muuttuu, osa tulevasta signaalista heijastuu takaisin lähteeseen. TDR on periaatteessa samanlainen kuin tutka.

Heijastuksia

Yleensä heijastukset ovat saman muotoisia kuin tuleva signaali, mutta niiden etumerkki ja amplitudi riippuvat impedanssitason muutoksesta. Jos impedanssissa on askellisäys, heijastuksella on sama merkki kuin tulevalla signaalilla; jos impedanssi pienenee vähitellen, heijastuksella on päinvastainen etumerkki. Heijastuksen suuruus ei riipu pelkästään impedanssin muutoksen määrästä, vaan myös johtimen häviöstä.

Heijastus mitataan TDR:n lähdöstä/sisääntulosta ja näytetään tai piirretään ajan funktiona. Vaihtoehtoisesti näyttö voidaan lukea kaapelin pituuden perusteella, koska tietyllä siirtovälineellä signaalin etenemisnopeus on lähes vakio.

Koska TDR on herkkä impedanssin muutoksille, sitä voidaan käyttää kaapelin impedanssiominaisuuksien, liitosten ja liittimien sijainnin ja niihin liittyvien häviöiden tarkistamiseen ja kaapelin pituuden arvioimiseen.

Tapahtuman signaali

TDR käyttää erilaisia ​​tapahtumasignaaleja. Jotkut TDR:t lähettävät pulsseja johdinta pitkin; näiden instrumenttien resoluutio on yleensä pulssin leveys. Kapeat pulssit voivat tarjota hyvän resoluution, mutta niissä on korkeataajuisia signaalikomponentteja, jotka vaimentuvat pitkissä kaapeleissa. Pulssin muoto on yleensä puolijakson sinikäyrä. Käytä pidempiä kaapeleita varten leveämpiä pulssileveyksiä.

Käytetään myös nopeaa nousuaikaaskelta. Sen sijaan, että etsittäisiin täydellisen pulssin heijastusta, laite keskittyy nousevaan reunaan, joka voi olla erittäin nopea. 1970-luvun teknisessä TDR:ssä käytettiin askelkokoa, jonka nousuaika oli 25 ps.

On muitakin TDR-laitteita, jotka käyttävät vastaavia tekniikoita monimutkaisten signaalien lähettämiseen ja heijastusten havaitsemiseen. Katso Spread Spectrum Time Domain Reflectometer.

Tutkimuskatsaus

Topp et ai. sovelsi ensin TDR-tekniikkaa maaperän tehollisen dielektrisyysvakion ja maaperän kosteuspitoisuuden välisen suhteen tutkimiseen ja osoitti, että dielektrisyysvakiolla on hyvä suhde monen tyyppisen maaperän kosteuspitoisuuteen ja esitti laskentakaavan arvioimiseksi. vesipitoisuus.

Dalton et ai. käytti samaa koetinta maaperän johtavuuden mittaamiseen ja ehdotti TDR-tekniikan johtavuuden mittausmenetelmää.

Nissen et ai. käytti TDR-tekniikkaa suorittaakseen sarjan tutkimuksia maaperän johtavuustestauksesta. He tutkivat ensin epätasapainoista suhdetta kahden anturin avaruudellisen herkkyyden ja näytetilavuuden välillä. Sen jälkeen he suorittivat mittaustutkimuksen ionien liikkuvuudesta. Tutkimusten avulla on todettu, että pieni anturi on yksinkertainen, halpa, vakaa ja luotettava johtavuustestissä.

Wright et ai. käytti aikatason reflektometriä metaanihydraatin muodostumisen ja hajoamisen havaitsemiseen ja saavutti tyydyttäviä tuloksia. He käyttivät aikatason heijastusmittaria väliaineen dielektrisyysvakion ominaisuuksien testaamiseen, ja dielektrisyysvakion ja väliaineen tilavuusvesipitoisuuden välisen suhteen kautta he suorittivat teoreettisia tutkimuksia metaanihydraatista. Kokeessa he uskovat, että hydraatin muodostumisen jälkeen sen dielektrisyysvakio on samanlainen kuin jään. Jään dielektrisyysvakio eroaa merkittävästi veden dielektrisyysvakiosta ja on lähellä ilman dielektrisyysvakiota. Tundran jäätymättömän veden tutkimuksessa monet tutkijat käyttivät jään ja veden näennäisesti erilaisia ​​dielektrisyysvakioiden mittaamiseen tundran jäätymättömän veden vesipitoisuutta. Wright et ai. 1990-luvulla TDR-tekniikkaa sovellettiin ja tutkittiin maassani.

Gong Yuanshi et ai. mittasi viljelysmaan maaperän kosteutta, tutki viljelykasvien kasvuprosessin ja maaperän kosteuspitoisuuden välistä suhdetta sekä arvioi viljelymaan maaperän kosteuden haihtumista. Viljelymaan kosteuden alueellista vaihtelua tutkittaessa on havaittu, että TDR-tekniikalla on ominaisuudet nopea, tarkka, automaattinen ja jatkuva viljelymaan maaperän kosteuden mittaus, mikä antaa vahvan perustan maataloustuotannolle. On ehdotettu, että TDR-tekniikka soveltuu parhaiten karkealle ja kevyelle maaperälle, jolla on alhainen johtavuus. Orgaanisen aineksen ja saven tai suola-emäksisen maaperän osalta anturia tulee parantaa tai korjata.

Wang Shaoling ja muut käyttivät aika-alueen reflektometriaa seuratakseen veden jakautumista ja muutoksia tundralla. He käyttivät hyväkseen jäätyneen veden ja jäätyneen veden selvästi erilaisia ​​dielektrisyysvakioita mitatakseen jäätyneen veden pitoisuutta tundrassa. Jäätymättömän veden jakautumisessa eri aikoina ja eri syvyyksissä Qinghai-Tiibet-tasangolla tapahtuneiden muutosten perusteella havaitaan, että myös veden jakautuminen ja veden vaellusmalli ovat erilaisia ​​eri alueilla. Kausiluonteisen jääkerroksen jäätymisprosessissa veden jakautumis- ja kulkeutumissuunta on sama kuin lämmön virtauksen suunta maaperässä, joka on alhaalta ylös. Vuodenaikojen sulamiskerroksen tutkimuksessa havaittiin, että veden täydentymistapa vaikuttaa veden kulkeutumiseen.

Ren Tusheng et ai. käytti lämpöpulssi-aika-alueen reflektometriaa maaperän hydrotermisen dynamiikan ja fysikaalisten ominaisuuksien mittaamiseen. Ye Yuguang et ai. sovellettiin TDR-tekniikkaa sedimenttien hydraattikyllästymisen reaaliaikaiseen määritykseen, ja Diao Shaobo et al. käytetty lämpö-TDR Hydraattien lämpöfysikaalisten parametrien tekniset mittaukset huokoisissa väliaineissa ja muut tutkimukset ovat tuottaneet tyydyttäviä tuloksia. TDR-teknologian jatkuvan kehityksen myötä sen sovellusalueet laajenevat koko ajan.

Toimintaperiaate

TDR-ilmaisin koostuu periaatteessa seuraavista osista: lähetin, vastaanotin, lähetys- ja vastaanottojärjestelmä, signaaliprosessori ja näyttö. Kaapelitunnistimena käytettynä se liitetään suoraan testattavaan kaapeliin.

Vesipitoisuudessa, johtavuudessa ja muissa sovelluksissa se voidaan liittää erityisellä mittapäällä testin tarpeiden mukaan. Toimintaperiaate on esitetty kuvassa 1.

Signaalin siirto

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 käyttää koaksiaalikaapelia siirtolinjana. Koaksiaalikaapelit ovat helppoja valmistaa ja niillä on hyvät suojausominaisuudet. Transversaaliset sähkömagneettiset aallot (TEM), poikittaissähkömagneettiset aallot (TE) ja transversaaliset magneettiset aallot (TM) välitetään koaksiaalikaapeleissa, mutta poikittaiset sähkömagneettiset aallot ovat yleisimmin käytettyjä, ja muut aaltomuodot on tukahdutettava. TDR:n lähettämät sähkömagneettiset aallot ovat poikittaisia ​​sähkömagneettisia aaltoja. Transversaalisilla sähkömagneettisilla aalloilla on lähetyksessä vain vaakasuora sähkökenttä ja vaakasuora magneettikenttä. Akselia pitkin ei ole sähkökenttää, eikä koaksiaalikaapelissa ole sähkökenttää ja magneettikenttää.

Kuvassa 2 on esitetty sähkö- ja magneettikenttien jakautuminen koaksiaalikaapelissa, jotka ovat tasaisia ​​ja symmetrisiä. Sähkömagneettisten aaltojen siirto voidaan välittää myös kaksoisjohtojen kautta, mutta sähkömagneettisten aaltojen suuremman vaimennuksen vuoksi kaksijohtimislähetyksessä kaksoisjohtoja ei yleensä käytetä pitkän matkan lähetykseen. Aaltoputki on myös ihanteellinen johdin sähkömagneettisten aaltojen välittämiseen, mutta suuren koonsa vuoksi aaltoputken pituuden tulee vastata sähkömagneettisen aallon aallonpituutta. Siksi suuritehoisten sähkömagneettisten aaltojen siirrossa käytetään aaltoputkia sähkömagneettisten aaltojen välittämiseen.

Lisäksi litteiden johtojen käyttö voi myös siirtää sähkömagneettisia aaltoja. Itse asiassa se on koaksiaalikaapeleiden muunnos. Sillä ei ole vain koaksiaalikaapeleiden suojausominaisuuksia, vaan se on myös helppo valmistaa ja edullinen.

Anturin rakenne

Vesipitoisuustestissä anturin rakenne on erilainen eri testeissä. Campbell ja Hemovaara ehdottivat seitsemän elektrodin mittapäätä maaperän ja nesteen dielektrisyysvakion testaamiseen.

Monet tutkijat ovat myös suunnitelleet antureita, joissa on monia rakenteita. Zegelin ehdotti kaksielektrodista koetinta maakerrosten testaamiseen. Kun monielektrodielektrodit mittaavat dielektrisyysvakiota, testin arvo voi olla sekoittunut eri kerrosten erilaisten dielektrisyysvakioiden vuoksi. Nykyään maaperän testauksessa yleisesti käytetty koetinrakenne on kolmielektrodinen koetin. Robinson ja Friedman ehdottivat litteitä kaksoiselektrodeja, jotka pystyvät havaitsemaan tehokkaammin. Wright et ai. käytti koaksiaalisia koettimia maakaasuhydraattien tutkimuksessa.

Maakaasuhydraatin tutkimuksessa käytämme epäsymmetristä koaksiaalista mittapäätä todellisen tilanteen mukaan. Rakenteeltaan erilaisten koettimien sähkö- ja magneettikenttäjakaumat on esitetty kuvassa 3. Kuvan 3 kaksoiselektrodisondin sähkökenttä- ja magneettikenttäjakaumista magneettikentän ja sähkökentän jakautumisen symmetria on pahin, kun taas koaksiaalisen anturin sähkökentän ja magneettikentän symmetria on suurin. se on hyvää. Tietenkin nesteen dielektrisyysvakiota testattaessa koaksiaalinen anturi on paras.

Maaperän dielektrisyysvakiota mitattaessa on kuitenkin helpoin upottaa kaksielektrodinen anturi, kun taas koaksiaalinen anturi on vaikea upottaa. Tehokkuuden kannalta litteän kaksielektrodisondin tunnistusvaikutus on parempi kuin kolmielektrodisen anturin, mutta kolmielektrodi on litteää elektrodia parempi dielektrisen mittausresoluution suhteen. maakerroksen vakio. Tietenkin testissä elektrodi, jossa on pyöreä sauva kahden litteän elektrodin välissä, voi olla parempi kuin litteä kaksielektrodinen anturi. Koska sillä on myös tietty suojausvaikutus, ja upotus on sama kuin litteässä kaksielektrodisessa mittapäässä. Lisäksi uuteen anturirakenteeseen on lisätty lämmityslaite ja lämpötilan mittauslaite maaperän lämpöominaisuuksien havaitsemiseksi.

Sovellukset

Aika-alueen reflektometrejä käytetään yleensä erittäin pitkien kaapelilinjojen in situ -testaukseen, jossa on epäkäytännöllistä kaivaa tai poistaa kilometrien pituisia kaapeleita. Ne ovat välttämättömiä tietoliikennelinjojen ennaltaehkäisevässä kunnossapidossa, koska TDR voi havaita liitosten ja liittimien kestävyyden niiden syöpyessä, ja ne voivat vähentää eristysvuotoja ja imeä kosteutta kauan ennen kuin ne aiheuttavat katastrofaalisen vian. TDR:n avulla vika voidaan paikantaa tarkasti senttimetreillä.

TDR on myös erittäin hyödyllinen työkalu teknisen valvonnan vastatoimiin. Ne auttavat määrittämään johdinliittimien sijainnin ja sijainnin. Kun puhelinlinja on kytketty, TDR-näytöllä näkyy pieniä muutoksia linjan impedanssissa, joka johtuu hanojen tai liittimien käyttöönotosta.

TDR-laitteisto on myös korvaamaton työkalu nykyaikaisessa suurtaajuisten piirilevyjen vikojen analysoinnissa, ja sen signaalireitityksellä voidaan simuloida siirtolinjoja. Heijastusta tarkkailemalla voidaan tarkastaa palloritilämatriisin mahdolliset juottamattomat tapit. Oikosulkutappi voidaan myös havaita samalla tavalla.

TDR-periaatetta käytetään teollisuusympäristöissä erilaisissa tilanteissa integroitujen piirien pakkaamisesta ja testaamisesta nestetason mittaukseen. Edellisessä aikatason reflektometriä käytetään eristämään sama viallinen paikka. Jälkimmäinen rajoittuu pääasiassa jalostusteollisuuteen.

Mittaa tasolla

TDR-pohjaisessa nestetason mittauslaitteessa laite tuottaa pulsseja, jotka etenevät ohutta aaltoputkea (kutsutaan koettimeksi) pitkin - yleensä metallitankoa tai teräskaapelia. Kun pulssi osuu mitattavan väliaineen pintaan, osa pulssista heijastuu takaisin aaltoputkeen. Laite määrittää nesteen tason mittaamalla aikaeron lähetetyn pulssin ja heijastuneen palautuksen välillä. Anturi voi lähettää analysoidun tason jatkuvana analogisena signaalina tai kytkimen lähtösignaalina. TDR-tekniikassa pulssin nopeuteen vaikuttaa pääasiassa pulssin etenemisväliaineen dielektrisyysvakio. Väliaineen dielektrisyysvakio voi vaihdella suuresti väliaineen kosteuspitoisuuden ja lämpötilan mukaan. Monissa tapauksissa tämä vaikutus voidaan korjata ilman vaikeuksia. Joissakin tapauksissa, kuten kiehuvassa ja/tai korkeassa lämpötilassa, kalibrointi voi olla vaikeaa. Erityisesti voi olla hyvin vaikeaa määrittää vaahdon (vaahdon) korkeus ja kokoon painuneen nesteen taso vaahdossa/kiehumisväliaineessa.

Padoissa käytetyt ankkurikaapelit

CEA Technologiesin (CEATI) Dam Safety Interest Group on voimaorganisaatioiden yhteenliittymä, joka on soveltanut hajaspektri-aikaalueen reflektometriaa tunnistaakseen mahdolliset viat betonipatojen ankkurikaapeleissa. Verrattuna muihin testimenetelmiin aika-alueen reflektometrin tärkein etu on näiden testien rikkomaton menetelmä.

Maa- ja maataloustieteille

TDR:ää käytetään maaperän ja huokoisten väliaineiden kosteuspitoisuuden määrittämiseen. Kahden viime vuosikymmenen aikana maaperän, viljan, ruoan ja sedimenttien kosteuden mittaamisessa on edistytty merkittävästi. Avain TDR:n menestykseen piilee kyvyssä määrittää tarkasti materiaalin dielektrisyysvakio (dielektrisyysvakio), koska materiaalin dielektrisyysvakion ja sen vesipitoisuuden välillä on vahva yhteys, kuten Hoekstran ja Delaneyn uraauurtava työ osoittaa. (1974) ja Topp et ai. (vuonna 1980). Viimeaikaisia ​​arvioita ja viiteteoksia tästä aiheesta ovat mm. Topp ja Reynolds (1998), Noborio (2001), Pettinellia jne. (2002), Topp ja Ferre (2002) ja Robinson et al. (Vuosi 2003). TDR-menetelmä on siirtojohtoteknologiaa, ja näennäinen dielektrisyysvakio (Ka) määritetään siirtolinjaa pitkin etenevien sähkömagneettisten aaltojen, yleensä kahden tai useamman rinnakkaisen metallitangon etenemisajan perusteella, jotka on upotettu maaperään tai sedimenttiin. Anturin pituus on yleensä 10-30 cm ja se on kytketty TDR:ään koaksiaalikaapelilla.

Käyttö geotekniikassa

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.

Toinen TDR:n sovellus geoteknisessä suunnittelussa on maaperän kosteuspitoisuuden määrittäminen. Tämä voidaan tehdä sijoittamalla TDR eri maakerroksiin ja mittaamalla aika, jolloin sade alkaa, ja aika, jolloin TDR osoittaa maaperän vesipitoisuuden nousua. TDR:n syvyys (d) on tunnettu tekijä, ja toinen on aika (t), joka kuluu vesipisaran saavuttamiseen tuon syvyyden; siksi veden tunkeutumisnopeus (v) voidaan määrittää. Tämä on hyvä tapa arvioida parhaiden hallintakäytäntöjen (BMP) tehokkuutta hulevesien pintavirtauksen vähentämisessä.

Puolijohdelaitteiden analyysi

Aika-alueen reflektometriaa käytetään tuhoamattomana menetelmänä puolijohdelaitteiden pakkauksissa olevien vikojen paikantamiseen puolijohdevika-analyysissä. TDR tarjoaa sähköiset ominaisuudet jokaiselle laitepaketin johtavalle jäljelle, joiden avulla voidaan määrittää avointen ja oikosulkujen sijainti.

Ilmailun johtojen huolto

Aika-alueen heijastusmittareita, erityisesti hajaspektri-aikaalueen reflektometrejä, käytetään ilmailun kaapeloinnissa ennaltaehkäisevään huoltoon ja vian paikantamiseen. Hajaspektrin aika-alueen reflektometreillä on se etu, että ne paikantavat vikapaikat tarkasti tuhansien kilometrien säteellä lentokonejohdoista. Lisäksi tätä tekniikkaa kannattaa harkita reaaliaikaisessa antennivalvonnassa, koska hajaspektriheijastusmittareita voidaan käyttää tulilinjassa.

On todistettu, että tätä menetelmää voidaan käyttää ajoittaisten sähkövikojen paikantamiseen.

Multi-carrier time domain reflektometriaa (MCTDR) pidetään myös lupaavana menetelmänä sulautetuissa EWIS-diagnostiikka- tai vianetsintätyökaluissa. Tämä älykäs tekniikka perustuu usean kantoaallon signaalien injektointiin (EMC:tä kunnioittaen ja johtimille vaarattomia), jotta saadaan tietoa sähköisten vikojen (tai mekaanisten vikojen, joilla on sähköisiä seurauksia) havaitsemiseen, sijaintiin ja karakterisointiin johdotusjärjestelmässä. Kovat viat (oikosulku, avoimet virtapiirit) tai ajoittaiset viat voidaan havaita erittäin nopeasti, mikä lisää johdotusjärjestelmän luotettavuutta ja parantaa sen kunnossapitoa.