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 . Puede utilizarse 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.
Un TDR mide las reflexiones a lo largo de un conductor. Para medir esas reflexiones, el TDR transmitirá una señal incidente sobre el conductor y escuchará sus reflexiones . Si el conductor tiene una impedancia uniforme y está correctamente terminado , entonces no habrá reflexiones y la señal incidente restante será absorbida en el extremo más alejado por la terminación. En cambio, si hay variaciones de impedancia, entonces parte de la señal incidente se reflejará de vuelta a la fuente. Un TDR es similar en principio al radar .
La impedancia de la discontinuidad se puede determinar a partir de la amplitud de la señal reflejada. La distancia a la impedancia reflejada también se puede determinar a partir del tiempo que tarda un pulso en regresar. La limitación de este método es el tiempo de subida mínimo del sistema . El tiempo de subida total consiste en el tiempo de subida combinado del pulso de excitación y el del osciloscopio o muestreador que monitorea las reflexiones.
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 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 escalón , se observa una señal de escalón en la pantalla y su altura es una función de la resistencia. La magnitud del escalón producido por la carga resistiva se puede expresar como una fracción de la señal de entrada, como se indica a continuación:
donde es la impedancia característica de la línea de transmisión .
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 escalonado en la impedancia, entonces la reflexión tendrá el mismo signo que la señal incidente; si hay una disminución escalonada 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.
Las reflexiones se miden en la salida/entrada del TDR y se muestran o grafican en 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 determinado.
Debido a su sensibilidad a las variaciones de impedancia, se puede utilizar un TDR 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.
Los TDR utilizan diferentes señales incidentes. Algunos TDR transmiten un pulso a lo largo del conductor; la resolución de estos instrumentos suele ser 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 suele ser una sinusoide de medio ciclo. [2] Para cables más largos, se utilizan anchos de pulso más amplios.
También se utilizan pasos de tiempo de subida rápidos . En lugar de buscar la reflexión de un pulso completo, el instrumento se ocupa del flanco ascendente, que puede ser muy rápido. [3] Un TDR de la década de 1970 utilizaba pasos con un tiempo de subida de 25 ps. [4] [5] [6]
Otros TDR transmiten señales complejas y detectan reflexiones con técnicas de correlación. Véase reflectometría de dominio temporal de espectro ensanchado .
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 el impulso transmitido (en lugar del reflejado). En conjunto, proporcionan un medio poderoso para analizar medios de transmisión eléctricos u ópticos, como el cable coaxial y la fibra óptica .
Existen variaciones de TDR. Por ejemplo, la reflectometría de dominio temporal de espectro ensanchado (SSTDR) se utiliza para detectar fallas intermitentes en sistemas complejos y con alto nivel de ruido, como el cableado de aeronaves. [7] La reflectometría de dominio temporal óptica coherente (COTDR) es otra variante, utilizada en sistemas ópticos, en la que la señal de retorno se mezcla con un oscilador local y luego se filtra para reducir el ruido. [8]
Estas trazas se produjeron con un reflectómetro de dominio temporal fabricado con 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.
Estas trazas fueron producidas por un TDR comercial que utiliza 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 más alejado del cable SMA se dejó abierto o se conectó a diferentes adaptadores. El pulso tarda unos 3 ns en viajar por el cable, reflejarse y llegar al cabezal de muestreo. Se puede ver una segunda reflexión (a unos 6 ns) en algunas trazas; se debe a que la reflexión detecta un pequeño desajuste en el cabezal de muestreo y provoca que otra onda "incidente" viaje por el cable.
Si el extremo más alejado del cable está en cortocircuito, es decir, terminado con una impedancia de cero ohmios, y cuando el borde ascendente del pulso se lanza por el cable, el voltaje en el punto de lanzamiento "sube" a un valor dado instantáneamente y el pulso comienza a propagarse en el cable hacia el cortocircuito. Cuando el pulso encuentra el cortocircuito, no se absorbe energía en el extremo más alejado. En cambio, un pulso invertido se refleja de vuelta desde el cortocircuito hacia el extremo de lanzamiento. Es solo cuando esta reflexión finalmente llega al punto de lanzamiento que el voltaje en este punto cae abruptamente a cero, lo que indica la presencia de un cortocircuito en el extremo del cable. Es decir, el TDR no tiene ninguna indicación de que hay un cortocircuito en el extremo del cable hasta que su pulso emitido puede viajar en el cable y el eco puede regresar. Es solo después de este retraso de ida y vuelta que el TDR puede detectar el cortocircuito. Conociendo la velocidad de propagación de la señal en el cable en particular bajo prueba, se puede medir la distancia al cortocircuito.
Un efecto similar ocurre si el extremo más alejado del cable es un circuito abierto (terminado en una impedancia infinita). En este caso, sin embargo, la reflexión del extremo más alejado está polarizada de manera idéntica al pulso original y se suma a él en lugar de cancelarlo. Por lo tanto, después de un retraso de ida y vuelta, el voltaje en el TDR salta abruptamente al doble del voltaje aplicado originalmente.
Una terminación perfecta en el extremo más alejado del cable absorbería por completo el pulso aplicado sin causar ninguna reflexión, lo que haría imposible determinar la longitud real del cable. En la práctica, casi siempre se observa alguna pequeña reflexión.
La magnitud de la reflexión se denomina coeficiente de reflexión o ρ. El coeficiente varía de 1 (circuito abierto) a -1 (cortocircuito). El valor cero significa que no hay reflexión. El coeficiente de reflexión se calcula de la siguiente manera:
Donde Z o se define como la impedancia característica del medio de transmisión y Z t es la impedancia de la terminación en el extremo más alejado de la línea de transmisión .
Cualquier discontinuidad puede considerarse como una impedancia de terminación y sustituirse por Z t . Esto incluye cambios abruptos en la impedancia característica. Por ejemplo, un ancho de traza en una placa de circuito impreso duplicado en su sección media constituiría una discontinuidad. Parte de la energía se reflejará de vuelta a la fuente de excitación; la energía restante se transmitirá. Esto también se conoce como unión de dispersión.
Los reflectómetros de dominio temporal se utilizan comúnmente para realizar pruebas in situ de tendidos de cables muy largos, donde no resulta práctico desenterrar o retirar un cable que puede tener kilómetros de longitud. Son indispensables para el mantenimiento preventivo de las líneas de telecomunicaciones , ya que los TDR pueden detectar la resistencia en las juntas y conectores a medida que se corroen , y el aumento de las fugas de aislamiento a medida que se degrada y absorbe humedad, mucho antes de que cualquiera de las dos cosas provoque fallos catastróficos. Con 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 aparecerá en la pantalla de un TDR cuando se conecte a una línea telefónica.
El equipo TDR también es una herramienta esencial en el análisis de fallas de las modernas placas de circuitos impresos de alta frecuencia con trazas de señal diseñadas para emular líneas de transmisión . Al observar las reflexiones, se pueden detectar los pines 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 o la medición de niveles de líquidos. En el primer caso, el reflectómetro de dominio temporal se utiliza para aislar los puntos de falla en los mismos. En el segundo, se limita principalmente a la industria de procesos.
En un dispositivo de medición de nivel basado en TDR , el dispositivo genera un impulso que se propaga a través de una guía de ondas delgada (denominada sonda), normalmente una varilla de metal o un cable de acero. Cuando este impulso golpea la superficie del medio que se va a medir, parte del impulso se refleja de nuevo en 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 volvió la reflexión. Los sensores pueden emitir el nivel analizado como una señal analógica continua o señales de salida de conmutación. 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 en gran medida 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 entornos de ebullición o alta temperatura, la corrección puede ser difícil. En particular, determinar la altura de la espuma y el nivel de líquido colapsado en un medio espumoso o hirviendo puede ser muy difícil.
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 espectro ensanchado en el dominio del tiempo para identificar posibles fallas en los cables de anclaje de presas de hormigón. La principal ventaja de la reflectometría de dominio del tiempo con respecto a otros métodos de prueba es el método no destructivo de estas pruebas. [10]
El método TDR se utiliza para determinar el contenido de humedad en el suelo y en medios porosos. En las últimas dos décadas, se han logrado avances sustanciales en la medición de la humedad en el suelo, los granos, los alimentos y los sedimentos. La clave del éxito del método TDR es su capacidad para determinar con precisión la permitividad (constante dieléctrica) de un material a partir de la propagación de las ondas, debido a la fuerte relación entre la permitividad de un material y su contenido de agua, como se demuestra en 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 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 en los sedimentos. Las sondas suelen tener entre 10 y 30 cm de largo y están conectadas al TDR mediante un cable coaxial.
La reflectometría en el dominio del tiempo también se ha utilizado para monitorear el movimiento de pendientes en una variedad de entornos geotécnicos, incluidos cortes de carreteras, lechos de vías y minas a cielo abierto (Dowding y O'Connor, 1984, 2000a, 2000b; Kane y Beck, 1999). En aplicaciones de monitoreo de estabilidad que utilizan TDR, se instala un cable coaxial en un pozo vertical que pasa por la región en cuestión. 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 traducir el movimiento de la tierra en una deformación abrupta del cable que aparece como un pico detectable en el trazo 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 cambios en el trazo de reflectancia a lo largo del tiempo. Farrington y Sargand (2004) desarrollaron una técnica de procesamiento de señales simple que utiliza derivadas numéricas para extraer indicaciones confiables de movimiento de pendiente de los datos de TDR mucho antes que mediante la interpretación convencional.
Otra aplicación de los TDR en la 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 momento en que comienza la precipitación y el momento en que los TDR indican 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 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 eficacia de las mejores prácticas de gestión (BMP) para reducir la escorrentía superficial de las aguas pluviales .
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 los encapsulados de dispositivos semiconductores. La TDR proporciona una firma eléctrica de las trazas conductoras individuales en el encapsulado del dispositivo y es útil para determinar la ubicación de circuitos abiertos y cortocircuitos.
La reflectometría de dominio temporal, específicamente la reflectometría de espectro disperso en el dominio temporal, se utiliza en el cableado de la aviación tanto para el mantenimiento preventivo como para la localización de averías. [11] La reflectometría de espectro disperso en el dominio temporal tiene la ventaja de localizar con precisión la ubicación de la avería en miles de kilómetros de cableado de la aviación. Además, vale la pena considerar esta tecnología para el monitoreo de la aviación en tiempo real, ya que la reflectometría de espectro disperso se puede emplear en cables con corriente.
Se ha demostrado que este método es útil para localizar fallas eléctricas intermitentes. [12]
La reflectometría de dominio temporal de múltiples portadoras (MCTDR) también se ha identificado como un método prometedor para el diagnóstico integrado de sistemas de información de emergencia (EWIS) o para la solución de problemas. Basada en la inyección de una señal multiportadora (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. Los fallos graves (cortocircuitos, circuitos abiertos) o los defectos intermitentes se pueden detectar muy rápidamente, lo que aumenta la fiabilidad de los sistemas de cableado y mejora su mantenimiento. [13]
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