Un reflectómetro en el dominio del tiempo ( TDR ) es un instrumento electrónico utilizado para determinar las características de líneas eléctricas mediante la observación de pulsos reflejados .
Puede usarse para caracterizar y localizar fallas en cables metálicos (por ejemplo, alambre de par trenzado o cable coaxial ), [1] y para ubicar discontinuidades en un conector, placa de circuito impreso o cualquier otro camino eléctrico.
Un TDR mide las reflexiones a lo largo de un conductor. Para medir esas reflexiones, el TDR transmitirá una señal incidente al 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 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 las reflexiones.
El análisis TDR comienza con la propagación de un paso o impulso de energía dentro de un sistema y la posterior observación de la energía reflejada por el sistema. Analizando la magnitud, duración y 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 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 .
Generalmente, 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 gradual en la impedancia, la reflexión tendrá el signo opuesto. La magnitud de la reflexión depende no sólo de la magnitud 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 representan 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 de incidentes. Algunos TDR transmiten un pulso a lo largo del conductor; la resolución de tales instrumentos suele ser la anchura 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 el reflejo de un pulso completo, el instrumento se ocupa del flanco ascendente, que puede ser muy rápido. [3] Un TDR de tecnología 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 reflejos con técnicas de correlación. Véase reflectometría en el dominio del tiempo de espectro expandido .
El dispositivo equivalente para 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). Juntos, proporcionan un medio poderoso para analizar medios de transmisión eléctrica u óptica, 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 utiliza para detectar fallas intermitentes en sistemas complejos y de alto ruido, como el cableado de las aeronaves. [7] La reflectometría óptica coherente en el dominio del tiempo (COTDR) es otra variante, utilizada en sistemas ópticos, en la que la señal devuelta se mezcla con un oscilador local y luego se filtra para reducir el ruido. [8]
Estas trazas fueron producidas por un reflectómetro en el dominio del tiempo fabricado con equipo de laboratorio común conectado a aproximadamente 100 pies (30 m) de cable coaxial que tiene 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 utilizando 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 otro extremo del cable SMA se dejó abierto o conectado a diferentes adaptadores. El pulso tarda aproximadamente 3 ns en viajar a lo largo del cable, reflejarse y llegar al cabezal de muestreo. En algunos rastros se puede ver una segunda reflexión (aproximadamente a 6 ns); se debe a que la reflexión ve un pequeño desajuste en el cabezal de muestreo y provoca que otra onda "incidente" viaje por el cable.
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" instantáneamente a un valor determinado. 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. Sólo cuando esta reflexión finalmente alcanza el punto de lanzamiento, 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 pueda viajar por el cable y el eco pueda regresar. Sólo después de este retraso de ida y vuelta el TDR puede detectar el cortocircuito. Conociendo la velocidad de propagación de la señal en el cable particular que se está probando, se puede medir la distancia hasta el cortocircuito.
Se produce un efecto similar si el otro extremo del cable es un circuito abierto (terminado en una impedancia infinita). En este caso, sin embargo, la reflexión del otro extremo está polarizada de manera idéntica al pulso original y lo suma 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.
Una terminación perfecta en el extremo más alejado del cable absorbería completamente el impulso aplicado sin causar reflexión alguna, haciendo imposible la determinación de 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 de 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 opuesto de la línea de transmisión .
Cualquier discontinuidad puede verse como una impedancia de terminación y sustituirse como Zt . Esto incluye cambios abruptos en la impedancia característica. Por ejemplo, el ancho de una traza en una placa de circuito impreso duplicada en su sección media constituiría una discontinuidad. Parte de la energía se reflejará de regreso a la fuente impulsora; la energía restante se transmitirá. Esto también se conoce como unión de dispersión.
Los reflectómetros en el dominio del tiempo se utilizan comúnmente para pruebas in situ de tramos de cables muy largos, donde no resulta práctico desenterrar o retirar lo que puede ser un cable de kilómetros de longitud. Son indispensables para el mantenimiento preventivo de líneas de telecomunicaciones , ya que los TDR pueden detectar resistencia en uniones y conectores a medida que se corroen y aumentar las fugas de aislamiento a medida que se degrada y absorbe la humedad, mucho antes de que cualquiera de los dos provoque fallas catastróficas. Con un TDR es posible detectar un fallo 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 se conecte 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 líneas de transmisión . Observando los reflejos se pueden detectar posibles pines no soldados de un dispositivo 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 y la medición de niveles de líquidos. En el primero, el reflectómetro en el dominio del tiempo se utiliza para aislar los sitios defectuosos en el mismo. Este último 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 lo largo de 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 hacia arriba en la guía de ondas. El dispositivo determina el nivel de líquido midiendo la diferencia de tiempo entre el momento en que se envió el impulso y el momento en que regresó la reflexión. Los sensores pueden emitir 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 puede corregirse sin excesiva dificultad. En algunos casos, como en entornos de ebullición y/o altas temperaturas, la corrección puede resultar difícil. En particular, puede resultar muy difícil determinar la altura de la espuma y el nivel del líquido colapsado en un medio espumoso/en ebullición.
El Dam Safety Interest Group de CEA Technologies, Inc. (CEATI), un consorcio de organizaciones de energía eléctrica, ha aplicado la reflectometría en el dominio del tiempo de espectro ensanchado para identificar fallas potenciales en los 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. [10]
Se utiliza un TDR para determinar el contenido de humedad en el suelo y en medios porosos. Durante las últimas dos décadas, se han logrado avances sustanciales en la medición de la humedad en el suelo, los cereales, los alimentos y los sedimentos. La clave del éxito del 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 demuestra en los trabajos pioneros de Hoekstra y Delaney. (1974) y Topp et al. (1980). Reseñas recientes y trabajos de referencia sobre el tema incluyen Topp y Reynolds (1998), Noborio (2001), Pettinellia et al. (2002), Topp y Ferré (2002) y Robinson et al. (2003). El método TDR es una técnica de líneas 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 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 & O'Connor, 1984, 2000a, 2000b; Kane & 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 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 frágil rodea el cable para traducir el movimiento de la tierra en una deformación abrupta del cable que se muestra como un pico detectable en el rastro 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 la traza de reflectancia a lo largo del tiempo. Farrington y Sargand (2004) desarrollaron una técnica simple de procesamiento de señales utilizando derivadas numéricas para extraer indicaciones confiables del movimiento de pendientes a partir de los datos TDR mucho antes que mediante la interpretación convencional.
Otra aplicación de los TDR en ingeniería geotécnica es la determinación del contenido de humedad del suelo. Esto se puede hacer colocando los TDR en diferentes capas del suelo y midiendo el momento de inicio de 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 efectividad de las Mejores Prácticas de Gestión (BMP) para reducir la escorrentía superficial de aguas pluviales .
La reflectometría en el dominio del tiempo se utiliza en el análisis de fallas de semiconductores como método no destructivo para la localización de defectos en paquetes de dispositivos semiconductores. El TDR proporciona una firma eléctrica de pistas conductoras individuales en el paquete del dispositivo y es útil para determinar la ubicación de aperturas y cortocircuitos.
La reflectometría en el dominio del tiempo, específicamente la reflectometría en el dominio del tiempo de espectro ensanchado, se utiliza en el cableado de aviación tanto para el mantenimiento preventivo como para la localización de fallas. [11] La reflectometría en el dominio del tiempo de espectro ensanchado tiene la ventaja de localizar 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 extendido se puede emplear en cables con corriente.
Se ha demostrado que este método es útil para localizar fallas eléctricas intermitentes. [12]
La reflectometría en el dominio del tiempo de múltiples portadoras (MCTDR) también se ha identificado como un método prometedor para herramientas integradas de diagnóstico o resolución de problemas de EWIS. Basada en la inyección de una señal multiportadora (que respeta la CEM e inocua para los cables), esta tecnología inteligente proporciona información para la detección, localización y caracterización de defectos eléctricos (o mecánicos con consecuencias eléctricas) en los sistemas de cableado. Se pueden detectar muy rápidamente fallos graves (cortocircuito, circuito abierto) o defectos intermitentes, lo que aumenta la fiabilidad de los sistemas de cableado y mejora su mantenimiento. [13]
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