ТДР

Увод

Пошто је ширење електромагнетних таласа у кабловима попречни електромагнетни таласи, на чију брзину простирања утиче средина која окружује проводник, па су многи истраживачи користили ову особину за обављање различитих примењених истраживања. Засићеност хидрата у седименту углавном је одређена порозношћу и садржајем воде у узорку. Тренутно, методе мерења садржаја воде у седиментима углавном укључују гравиметријску методу, радиоактивну методу (као што је метода расејања неутрона, метода гама зрака), методу електричног отпора, радарску технологију која продире у земљу и рефлектометрију временског домена (ТДР).

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.

У експерименту са хидратима, ТДР технологија се може користити за тестирање садржаја воде у седименту у реалном времену, и повратно израчунавање засићености хидрата да би се постигла сврха тестирања засићености у реалном времену.

Рефлектометар временског домена

Већ шездесетих година прошлог века произведена је технологија временске рефлектометрије (ТДР). Ова техника укључује генерисање напона временског корака који се шири дуж далековода. Користите осцилоскоп да детектујете рефлексију од импедансе и измерите однос улазног напона и рефлектованог напона да бисте израчунали дисконтинуалну импедансу.

Седамдесетих година прошлог века сазнало се да је Фуријеова трансформација мрежног коефицијента рефлексије у функцији фреквенције коефицијент рефлексије у функцији времена. Подаци које је измерио мрежни анализатор у фреквенцијском домену могу се користити за израчунавање и приказ мрежног корака и импулсног одзива мреже у функцији времена. Традиционална ТДР способност у рефлексији и преносу повећава потенцијал за мерење у мрежама са ограниченим опсегом.

У режиму рефлексије, анализатор мреже мери коефицијент рефлексије као функцију фреквенције. Коефицијент рефлексије се може посматрати као преносна функција упадног напона и рефлектованог напона. Инверзна трансформација претвара коефицијент рефлексије у функцију времена (одзив на удар). Конволуција коефицијента рефлексије и улазног корака или импулса могу се користити за израчунавање корака и импулсног одзива. У режиму преноса. Мрежни анализатор мери функцију преноса уређаја са два прикључка као функцију фреквенције. Инверзна трансформација трансформише функцију преноса у импулсни одзив уређаја са два прикључка. Конволуција импулсног одзива и улазног корака или импулса се користи за израчунавање корака и импулсног одзива.

Објашњење

ТДР мери рефлексију дуж проводника. За мерење ових рефлексија, ТДР преноси сигнал инцидента до проводника и прати његову рефлексију. Ако проводник има уједначену импедансу и правилно је прекинут, неће бити рефлексије и преостали упадни сигнал ће се апсорбовати на удаљеном крају кроз завршетак. Супротно томе, ако дође до промене импедансе, део сигнала инцидента ће се рефлектовати назад ка извору. ТДР је у принципу сличан радару.

Рефлецтионс

Генерално, рефлексије ће имати исти облик као упадни сигнал, али њихов знак и амплитуда зависе од промене нивоа импедансе. Ако постоји корак повећања импедансе, онда ће рефлексија имати исти предзнак као сигнал инцидента; ако се импеданса постепено смањује, рефлексија ће имати супротан предзнак. Величина рефлексије зависи не само од количине промене импедансе, већ и од губитка проводника.

Одраз се мери на излазу/улазу ТДР-а и приказује или исцртава као функција времена. Алтернативно, екран се може очитати на основу дужине кабла, јер је за дати медијум преноса брзина ширења сигнала скоро константна.

Због своје осетљивости на промене импедансе, ТДР се може користити за верификацију карактеристика импедансе кабла, локација спојева и конектора и повезаних губитака и процену дужине кабла.

Сигнал догађаја

ТДР користи различите сигнале догађаја. Неки ТДР преносе импулсе дуж проводника; резолуција ових инструмената је обично ширина импулса. Уски импулси могу пружити добру резолуцију, али имају компоненте сигнала високе фреквенције које су пригушене у дугим кабловима. Облик пулса је обично полупериодна синусна крива. За дуже каблове користите веће ширине импулса.

Такође се користи временски корак брзог пораста. Уместо да тражи одраз комплетног пулса, инструмент се фокусира на растућу ивицу, која може бити веома брза. Технички ТДР из 1970-их користио је величину корака са временом пораста од 25пс.

Постоје и други ТДР-ови који користе сродне технологије за пренос сложених сигнала и откривање рефлексије. Погледајте Рефлектометар временског домена ширег спектра.

Преглед истраживања

Топп ет ал. први пут применио ТДР технологију за проучавање односа између ефективне диелектричне константе земљишта и садржаја влаге у земљишту и доказао да диелектрична константа има добар однос са садржајем влаге у многим врстама земљишта и изнео формулу за прорачун за процену садржај воде.

Далтон ет ал. користио исту сонду за мерење проводљивости тла, и предложио метод мерења проводљивости ТДР технологије.

Ниссен ет ал. користио ТДР технологију за спровођење серије студија о испитивању проводљивости тла. Прво су проучавали неуравнотежен однос између просторне осетљивости сонде са двоструком сондом и запремине узорка. Након тога су спровели студију мерења покретљивости јона. Истраживањем је утврђено да је мала сонда једноставна, јефтина, стабилна и поуздана у тесту проводљивости.

Вригхт и др. користио рефлектометар у временском домену за детекцију формирања и разлагања метан хидрата и постигао задовољавајуће резултате. Они су користили рефлектометар у временском домену да тестирају карактеристике диелектричне константе медијума, а кроз однос између диелектричне константе и запреминског садржаја воде у медијуму, спровели су нека теоријска истраживања о метан хидрату. У експерименту верују да је након формирања хидрата његова диелектрична константа слична оној код леда. Диелектрична константа леда је значајно другачија од оне воде и блиска је оној у ваздуху. У проучавању незамрзнуте воде у тундри, многи истраживачи су користили очигледно различите диелектричне константе леда и воде за мерење садржаја воде у незамрзнутој води у тундри. Вригхт и др. Деведесетих година ТДР технологија је примењена и истраживана у мојој земљи.

Гонг Јуанши и др. мерио влажност земљишта у пољопривредном земљишту, проучавао везу између процеса раста усева и садржаја влаге у земљишту и проценио евапотранспирацију влаге у земљишту пољопривредног земљишта. Истраживање просторне варијабилности влаге у пољопривредном земљишту показало је да ТДР технологија има карактеристике брзог, прецизног, аутоматског и континуираног мерења влажности пољопривредног земљишта, што пружа снажну основу за пољопривредну производњу. Предлаже се да је ТДР технологија најпогоднија за груба и лака тла са ниском проводљивошћу. За органску материју и врсту глиненог или слано-алкалног земљишта, сонду треба побољшати или кориговати.

Ванг Шаолинг и други су користили рефлектометрију у временском домену да прате дистрибуцију воде и промене током времена у тундри. Искористили су изразито различите диелектричне константе смрзнуте и несмрзнуте воде за мерење садржаја незамрзнуте воде у тундри. Према променама у дистрибуцији незамрзнуте воде у различито време и на различитим дубинама на Кингхаи-Тибетској висоравни, утврђено је да су расподела воде и образац миграције воде такође различити у различитим регионима. У процесу смрзавања сезонског смрзнутог слоја, правац дистрибуције и миграције воде је исти као и смер тока топлоте у земљишту, који је одоздо према горе. У проучавању слоја сезонског топљења, утврђено је да начин надокнаде воде утиче на миграцију воде.

Рен Тусхенг и др. користио рефлектометрију термалног пулса у временском домену за мерење хидротермалне динамике тла и физичких својстава. Ие Иугуанг и др. применио ТДР технологију за одређивање засићености хидратима у седиментима у реалном времену, а Диао Схаобо ет ал. коришћени термални ТДР Техничко мерење термофизичких параметара хидрата у порозним медијима и друге студије су постигле задовољавајуће резултате. Са сталним развојем ТДР технологије, њена поља примене постају све обимнија.

Принцип рада

ТДР детектор се у основи састоји од следећих делова: предајник, пријемник, систем за пренос и пријем, процесор сигнала и дисплеј. Када се користи као детектор кабла, директно је повезан са каблом који се тестира.

У садржају воде, проводљивости и другим применама, може се повезати са посебном сондом према потребама теста. Основни принцип рада је приказан на слици 1.

Пренос сигнала

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

ТДР користи коаксијални кабл као далековод. Коаксијални каблови су једноставни за производњу и имају добра својства заштите. Попречни електромагнетни таласи (ТЕМ), попречни електромагнетни таласи (ТЕ) и попречни магнетни таласи (ТМ) се преносе у коаксијалним кабловима, али попречни електромагнетни таласи се најчешће користе, а други таласни облици морају бити потиснути. Електромагнетни таласи које емитује ТДР су попречни електромагнетни таласи. Попречни електромагнетни таласи имају само хоризонтално електрично поље и хоризонтално магнетно поље у преносу. Не постоји електрично поље дуж осе, а у коаксијалном каблу нема електричног и магнетног поља.

На слици 2 приказана је дистрибуција електричних и магнетних поља у коаксијалном каблу, која су уједначена и симетрична. Пренос електромагнетних таласа може се преносити и двоструким жицама, али због већег слабљења електромагнетних таласа у двожичном преносу, двоструке жице се углавном не користе за пренос на велике удаљености. Таласовод је такође идеалан проводник за пренос електромагнетних таласа, али због велике величине, дужина таласовода мора да одговара таласној дужини електромагнетног таласа. Због тога се у преносу електромагнетних таласа велике снаге користе таласоводи за пренос електромагнетних таласа.

Поред тога, употреба равних жица такође може преносити електромагнетне таласе. У ствари, то је модификација коаксијалних каблова. Не само да има заштитна својства коаксијалних каблова, већ је и лака за производњу и ниска цена.

Структура сонде

У тесту садржаја воде, структура сонде је различита за различите тестове. Цампбелл и Хемоваара су предложили сонду са седам електрода за испитивање диелектричне константе тла и течности.

Многи истраживачи су такође дизајнирали сонде са много структура. Зегелин је предложио сонду са две електроде за испитивање слојева тла. Када електроде са више електрода мере диелектричну константу, вредност теста може бити помешана због различитих диелектричних константи различитих слојева. Структура сонде која се данас обично користи за испитивање тла је сонда са три електроде. Робинсон и Фридман су предложили равне двоструке електроде, које могу ефикасније детектовати. Вригхт и др. користио коаксијалне сонде у проучавању хидрата природног гаса.

У проучавању хидрата природног гаса користимо асиметричну коаксијалну сонду према стварном стању. Расподела електричног и магнетног поља сонди са различитим структурама приказана је на слици 3. Из дистрибуције електричног поља и магнетног поља сонде са две електроде на слици 3, симетрија расподеле магнетног поља и електричног поља је најгоре, док је симетрија електричног поља и магнетног поља коаксијалне сонде највећа. добро је. Наравно, када се испитује диелектрична константа течности, коаксијална сонда је најбоља.

Међутим, при мерењу диелектричне константе тла, двоелектродну сонду је најлакше уградити, док је коаксијалну сонду тешко уградити. Са становишта ефикасности, ефекат детекције равне сонде са две електроде је бољи од сонде са три електроде, али је сонда са три електроде боља од равне електроде у смислу резолуције мерења диелектрика. константа слоја тла. Наравно, у тесту, електрода са округлом шипком између две равне електроде може бити боља од равне сонде са две електроде. Зато што има и одређени ефекат заштите, а уградња је иста као равна сонда са две електроде. Поред тога, новој структури сонде се додају уређај за грејање и уређај за мерење температуре како би се откриле термичке карактеристике земљишта.

Апликације

Рефлектометри у временском домену се обично користе за тестирање на лицу места веома дугих кабловских водова, где је непрактично копати или уклањати каблове који могу бити дуги километри. Они су од суштинског значаја за превентивно одржавање комуникационих линија, јер ТДР може да открије отпор спојева и конектора када кородирају, а могу да смање цурење изолације и апсорбују влагу много пре него што изазову катастрофални квар. Користећи ТДР, грешка се може тачно лоцирати унутар центиметра.

ТДР је такође веома користан алат за контрамере техничког надзора. Они помажу у одређивању присуства и локације жичаних конектора. Када се повеже на телефонску линију, мале промене у импеданси линије услед увођења славина или конектора биће приказане на ТДР екрану.

ТДР опрема је такође незамењив алат у модерној анализи кварова на штампаним плочама високе фреквенције, а њено рутирање сигнала може симулирати далеководе. Посматрањем рефлексије, могу се прегледати све незалемљене игле на уређају са кугличном решетком. Пин кратког споја се такође може открити на сличан начин.

ТДР принцип се користи у индустријским окружењима, у различитим ситуацијама, од паковања интегрисаних кола и тестирања до мерења нивоа течности. У првом случају, рефлектометар временског домена се користи за изоловање исте неисправне локације. Ово последње је углавном ограничено на прерађивачку индустрију.

Измерите на нивоу

У уређају за мерење нивоа течности заснованом на ТДР-у, уређај генерише импулсе који се шире дуж танког таласовода (који се назива сонда) - обично металне шипке или челичног кабла. Када пулс удари у површину медијума који се мери, део импулса се рефлектује назад у таласовод. Уређај одређује ниво течности мерењем временске разлике између пренетог импулса и рефлектованог повратка. Сензор може емитовати анализирани ниво као континуирани аналогни сигнал или излазни сигнал прекидача. У ТДР технологији, на брзину импулса углавном утиче диелектрична константа медија за ширење импулса. Диелектрична константа медијума може значајно да варира у зависности од садржаја влаге и температуре медијума. У многим случајевима, овај ефекат се може исправити без потешкоћа. У неким случајевима, као што су окружења са кључањем и/или високим температурама, калибрација може бити тешка. Конкретно, може бити веома тешко одредити висину пене (пене) и ниво срушене течности у медијуму пене/врела.

Сидрени каблови који се користе у бранама

Интересна група за безбедност брана компаније ЦЕА Тецхнологиес (ЦЕАТИ) је конзорцијум енергетских организација који је применио рефлектометрију временског домена проширеног спектра да идентификује потенцијалне кварове у сидреним кабловима бетонских брана. У поређењу са другим методама испитивања, главна предност рефлектометра у временском домену је недеструктивна метода ових испитивања.

За Земљу и пољопривредне науке

ТДР се користи за одређивање садржаја влаге у земљишту и порозним медијима. У последње две деценије постигнут је значајан напредак у мерењу влаге у земљишту, житарицама, храни и седиментима. Кључ успеха ТДР-а лежи у способности да се прецизно одреди диелектрична константа материјала (диелектрична константа), јер постоји јака веза између диелектричне константе материјала и његовог садржаја воде, као што је демонстрирано пионирским радом Хоекстре и Дилејнија. (1974) и Топп ет ал. (1980. године). Недавни прегледи и референтни радови на ову тему укључују Топп и Реинолдс (1998), Ноборио (2001), Петтинеллиа, итд. (2002), Топп и Ферре (2002) и Робинсон ет ал. (2003. година). ТДР метода је технологија далековода, а привидна диелектрична константа (Ка) се одређује на основу времена простирања електромагнетних таласа који се шире дуж далековода, обично две или више паралелних металних шипки уграђених у тло или седимент. Дужина сонде је обично између 10 и 30 цм и повезана је са ТДР преко коаксијалног кабла.

Примена у геотехничком инжењерству

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.

Друга примена ТДР-а у геотехничком инжењерству је одређивање садржаја влаге у земљишту. Ово се може урадити постављањем ТДР-а у различите слојеве тла и мерењем времена када падавине почињу и времена када ТДР указује на повећање садржаја воде у земљишту. Дубина ТДР-а (д) је познати фактор, а други је време (т) које је потребно капљици воде да достигне ту дубину; стога се може одредити брзина продирања воде (в). Ово је добар начин да се процени ефикасност најбољих пракси управљања (БМП) у смањењу површинског отицања атмосферских вода.

Анализа полупроводничких уређаја

Рефлектометрија у временском домену се користи као недеструктивна метода за лоцирање дефекта у паковању полупроводничких уређаја у анализи квара полупроводника. ТДР обезбеђује електричне карактеристике за сваки проводни траг у пакету уређаја, који се може користити за одређивање локације отворених и кратких спојева.

Одржавање у авио ожичењу

Рефлектометри временског домена, посебно рефлектометри временског домена са проширеним спектром, користе се у ожичењу ваздухопловства за превентивно одржавање и лоцирање квара. Рефлектометри са проширеним спектром у временском домену имају предност у прецизном лоцирању локација квара у кругу хиљада миља од авио ожичења. Поред тога, ова технологија је вредна разматрања за праћење из ваздуха у реалном времену, јер се рефлектометри са проширеним спектром могу користити на линији ватре.

Доказано је да се ова метода може користити за лоцирање повремених електричних кварова.

Рефлектометрија временског домена са више носилаца (МЦТДР) се такође сматра обећавајућим методом за уграђене ЕВИС дијагностичке алате или алате за решавање проблема. Ова интелигентна технологија заснована је на убризгавању сигнала са више носилаца (поштовање ЕМЦ-а и безопасност за жице) како би се пружиле информације за откривање, локацију и карактеризацију електричних дефеката (или механичких дефеката са електричним последицама) у систему ожичења. Тешки кварови (кратки спојеви, отворени кругови) или повремени кварови могу се открити веома брзо, чиме се повећава поузданост система ожичења и побољшава његово одржавање.