Кіріспе

Электрондық құрал. Уақыт доменінің рефлектометрі (TDR) – электр желілерінің сипаттамаларын, кері шағылысқан импульстарды бақылау арқылы анықтауға арналған электрондық құрал. Оны металл кабельдердегі (мысалы, өрілген жұп сым немесе коаксиалды кабель) ақауларды іздеу және сипаттау үшін, сондай-ақ жалғастырғыштардағы, баспалы тізбек тақталарындағы немесе кез келген басқа электр жолындағы үзілістерді анықтау үшін қолдануға болады.

Сипаттама

ТДР өткізгіш бойымен болатын шағылысуларды өлшейді. Осы шағылысуларды өлшеу үшін ТДР өткізгішке сигнал жіберіп, оның шағылысуларын тыңдайды. Егер өткізгіштің кедергісі біркелкі болса және дұрыс тоқтатылса, онда шағылысу болмайды және қалған сигналдың бөлігі алыс жағында тоқтатылады. Ал егер кедергіде өзгерістер болса, кіріс сигналдың бір бөлігі бастапқы нүктеге кері шағылысады. ТДР принципі бойынша радарға ұқсас. Шағылысқан сигналдың амплитудасынан кедергінің импидансын анықтауға болады. Импульстің кері оралу уақыты арқылы шағылысатын кедергіге дейінгі қашықтықты да анықтауға болады. Бұл әдістің шектеуі – жүйенің ең аз көтерілу уақыты. Жалпы көтерілу уақыты, сигнал беретін импульстің және шағылысуларды бақылайтын осциллографтың немесе дискретизатордың (sampler) көтерілу уақыттарының қосындысынан тұрады.

Әдіс

TDR талдауы энергияның бір қадамы немесе импульсін жүйеге жіберуден және жүйеден кері шағылысқан энергияны бақылаудан басталады. Кері шағылысқан толқынның амплитудасы, ұзақтығы және пішінін талдау арқылы беріліс жүйесіндегі импеданс өзгерісінің сипатын анықтауға болады. Егер рефлектометрдің шығысына таза кедергілік жүктеме қосылып, қадамдық сигнал қолданылса, дисплейде қадамдық сигнал көрінеді, ал оның биіктігі кедергілікке пропорционал. Кедергілік жүктемеден туындаған қадамның амплитудасын кіріс сигналының үлесі ретінде былай өрнектеуге болады:

мұндағы – беріліс желісінің сипаттамалық импедансы.

Ойлану

Жалпы, шағылыстар түскен сигналдың пішінімен бірдей болады, бірақ олардың таңбасы мен мөлшері кедергі деңгейінің өзгеруіне байланысты. Егер кедергі сатылап артса, шағылыс түскен сигналмен бірдей таңбаға ие болады; ал егер кедергі сатылап төмендесе, шағылыс кері таңбалы болады. Шағылыстың мөлшері кедергінің өзгеру мөлшеріне ғана емес, сонымен қатар өткізгіштегі жоғалтуға да байланысты. Шағылыстар TDR құрылғысының кірісінде/шығысында өлшенеді және уақытқа қатысты функция ретінде көрсетіледі немесе график түрінде бейнеленеді. Балама ретінде, дисплейді кабель ұзындығына қатысты функция ретінде оқуға болады, себебі сигнал таралу жылдамдығы белгілі бір орта үшін шамамен тұрақты болады. Кедергі өзгерістеріне сезімтал болғандықтан, TDR кабельдің кедергілік сипаттамаларын, жалғастыру және жалғағыштардың орналасқан жерлерін, сондай-ақ олармен байланысты жоғалтуларды тексеруге және кабель ұзындығын анықтауға қолданылуы мүмкін.

Қатер сигналы

TDR-лар әртүрлі оқиға сигналдарын пайдаланады. Кейбір TDR-лар өткізгіш бойымен импульс жібереді; мұндай құралдардың ажыратымдылығы көбінесе импульстің енімен анықталады. Тар импульстар жақсы ажыратымдылықты қамтамасыз ете алады, бірақ олар ұзын кабельдерде әлсірететін жоғары жиілікті сигнал компоненттеріне ие. Импульстің пішіні көбінесе жарты циклды синусоида болып келеді. Ұзын кабельдер үшін кеңірек импульстық ендер қолданылады. Сонымен қатар, жылдам өсу уақыты бар сигналдар да қолданылады. Толық импульстің шағылысуын іздеудің орнына, құрал өсу жиегіне назар аударады, ол өте жылдам болуы мүмкін. 1970-ші жылдардағы технологиялық TDR 25 пс өсу уақытымен қадамдарды қолданған. Тағы да басқа TDR-лар күрделі сигналдарды жібереді және корреляциялық әдістермен шағылыстарды анықтайды. Таралған спектрлі уақыт домендік рефлектометрияға қараңыз.

Өзгерістер мен кеңейтулер

Оптикалық талшықтың баламалы құрылғысы – оптикалық уақыт доменінің рефлектометрі. Уақыт доменінің трансмиссиометриясы (TDT) – бұл кері емес, жіберілген импульсті өлшейтін ұқсас техника. Екеуі де коаксиалды кабель және оптикалық талшық сияқты электрлік немесе оптикалық тарату орталарын талдау үшін қуатты құралды ұсынады. Уақыт доменінің рефлектометриясының (TDR) түрлі нұсқалары бар. Мысалы, кең спектрлі уақыт доменінің рефлектометриясы (SSTDR) ұшақ сымдарын сияқты күрделі және жоғары шулы жүйелердегі үзіліссіз ақауларды анықтау үшін қолданылады. Когерентті оптикалық уақыт доменінің рефлектометриясы (COTDR) – оптикалық жүйелерде қолданылатын тағы бір нұсқа, онда кері сигнал жергілікті осциллятормен араластырылып, содан кейін шуды азайту үшін сүзіледі.

Үлгі іздері

Бұл іздер 50 Ом сипаттамалық кедергісі бар коаксиалды кабельге қосылған, кәдімгі зертханалық жабдықтан құралған уақыт домені рефлектометрімен жасалды. Бұл кабельдің таралу жылдамдығы вакуумдағы жарық жылдамдығының шамамен 66% құрайды. Бұл іздер коммерциялық TDR құрылғысымен 25 пс көтерілу уақыты бар қадамдық толқынды, 35 пс көтерілу уақыты бар сынама алу басын және SMA кабелін қолдану арқылы алынды. SMA кабелінің ұшы ашық қалдырылды немесе әртүрлі адаптерлерге қосылды. Импульстің кабель бойымен төмен қарай жүріп, кері шағылысып, сынама алу басына жетуіне шамамен 3 нс уақыт қажет. Кейбір іздерде екінші шағылысуды (шамамен 6 нс) байқауға болады; бұл шағылысудың сынама алу басындағы шағын сәйкессіздікті сезінуінен және тағы бір "түсетін" толқынның кабель бойымен жүруіне себеп болады.

Түсіндірме

Егер кабельдің алыс жағы қысқа тұйықталса, яғни нөл Ом кедергісімен аяқталса, және импульстің өрлеу жиегі кабельге жіберілсе, бастау нүктесіндегі кернеу бірден белгілі бір мәнге "көтеріледі" және импульс кабельде қысқа тұйыққа қарай тарала бастайды. Импульс қысқа тұйыққа жеткенде, алыс жағындағы энергия сіңірілмейді. Керісінше, инверттік импульс қысқа тұйықтан бастау нүктесіне қарай кері шағылысады. Осы шағылыс бастау нүктесіне жеткенде ғана, бұл нүктедегі кернеу күрт нөлге төмендейді, кабельдің соңында қысқа тұйықтың бар екенін көрсетеді. Яғни, TDR кабельдегі импульсы жүріп, эхосы кері оралғанға дейін кабельдің соңында қысқа тұйық екенін анықтай алмайды. Осы екі жақты кешігуден кейін ғана TDR қысқа тұйықты анықтай алады. Сыналып жатқан кабельдегі сигнал таралу жылдамдығы белгілі болса, қысқа тұйыққа дейінгі қашықтықты өлшеуге болады. Егер кабельдің алыс жағы ашық тізбек болса (шексіз кедергіге қосылса), ұқсас эффект пайда болады. Бірақ бұл жағдайда, алыс жағынан келетін шағылыс бастапқы импульспен бірдей поляризацияланады және оны жоймай, керісінше күшейтеді. Сондықтан, екі жақты кешігуден кейін TDR-дегі кернеу бастапқыда қолданылған кернеудің екі есесіне дейін секіреді. Кабельдің алыс жағындағы толық кедергісіз қосылу қолданылған импульсті толығымен сіңіріп алып, ешқандай шағылыс тудырмайды, бұл кабельдің нақты ұзындығын анықтауды мүмкінсіз етеді. Іс жүзінде, әдетте қандай да бір шағын шағылыс байқалады. Шағылыстың шамасы шағылыс коэффициенті немесе ρ деп аталады. Коэффициент 1-ден (ашық тізбек) -1-ге дейін (қысқа тұйық) аралығында өзгереді. 0 мәні шағылыс жоқ екенін білдіреді. Шағылыс коэффициенті келесі формула бойынша есептеледі: мұнда Zo – беру ортасының сипаттамалық кедергісі, ал Zt – беру желісінің соңғы нүктесіндегі тоқтататын құрылғының кедергісі. Кез келген үзіліс тоқтататын кедергі ретінде қарастырылуы мүмкін және Zt орнына қойылуы мүмкін. Бұл сипаттамалық кедергінің кенеттен өзгеруін де қамтиды. Мысалы, басылған схемалық тақтадағы іздің ені орта бөлігінде екі еселенсе, бұл үзіліс болып саналады. Энергияның бір бөлігі бастапқы көзіне кері шағылысады, ал қалған энергия беріледі. Бұл шашыраңқы түйісу деп те аталады.

Қолданылуы

Уақыт доменінің рефлектометрлері әдетте өте ұзын кабельдік желілерді орнында тексеру үшін қолданылады, онда шақырымдармен өлшенетін кабельді қазу немесе алып тастау ыңғайсыз. Олар телекоммуникациялық желілердің алдын ала күтілуі үшін таптырмас құрал болып табылады, себебі TDR-лер буындар мен жалғауштардағы коррозиядан туындаған кедергіні және оқшаулаудың нашарлауы мен ылғалды сіңіруінен туындаған ағымдағы жоғалтуды, бұл мәселелерге дейін анықтай алады. TDR қолдану арқылы ақауды сантиметрлік дәлдікпен табуға болады. TDR-лер техникалық бақылауға қарсы шаралар үшін де өте пайдалы, себебі олар сымға қосылған құрылғылардың бар-жоғын және олардың орналасқан жерін анықтауға көмектеседі. Телефон желісіне қосылған кезде, TDR экранында сымға қосылған құрылғының немесе жалғаудың енгізілуінен туындаған желінің кедергісіндегі шағын өзгеріс көрінеді. TDR жабдығы беріліс желілерін имитациялайтын сигналдық жолдары бар, қазіргі заманғы жоғары жиілікті басылған тізбектердің (печатных плат) ақауларын талдауда да маңызды құрал болып табылады. Кернеуді бақылау арқылы шарлы торлы массивтің (ball grid array) дәнекерленбеген контактілерін анықтауға болады. Қысқа тұйықталған контактілер де осыған ұқсас әдіспен анықталуы мүмкін. TDR принципі өнеркәсіптік ортада, интегралды схемалардың сынағынан бастап сұйық деңгейін өлшеуге дейін, әртүрлі жағдайларда қолданылады. Бірінші жағдайда, уақыт доменінің рефлектометрі ақаулықтарды оқшаулау үшін қолданылады. Екіншісі негізінен өңдеу өнеркәсібімен шектеледі.

Деңгей өлшеуішінде

TDR негізіндегі деңгей өлшеу құрылғысында, құрылғы жұқа толқын жетекіштен (иіндік деп аталады) – әдетте металл таяқшадан немесе болат кабельден таралатын импульс жасайды. Бұл импульс өлшенетін ортаның бетіне соққанда, импульстың бір бөлігі толқын жетекіш арқылы кері шағылысады. Құрылғы импульс жіберілгеннен бастап шағылыс қайтып келгенге дейінгі уақыт айырмасын өлшеу арқылы сұйықтық деңгейін анықтайды. Сенсорлар талданған деңгейді үздіксіз аналогтық сигнал түрінде немесе дискретті шығу сигналдары ретінде бере алады. TDR технологиясында импульс жылдамдығына ең көп әсер ететін фактор – импульс өтетін ортаның диэлектрлік өтімділігі, ол ортаның ылғалдылығы мен температурасына қарай күрт өзгеруі мүмкін. Көп жағдайда бұл әсерді қиындықсыз түзетуге болады. Бірақ кейбір жағдайларда, мысалы, қайнау және/немесе жоғары температуралы ортада түзету қиын болуы мүмкін. Атап айтқанда, көбіктің (көпіршіктің) биіктігін және көбікті/қайнаған ортадағы сұйықтықтың төмендеу деңгейін анықтау өте қиын.

Дамбаларда зәкірлі кабельдерде қолданылады

CEA Technologies, Inc. (CEATI) компаниясының бөгет қауіпсіздігі тобы, электр қуаты ұйымдарының консорциумы, бетон бөгеттердің ілгек кабельдеріндегі әлеуетті ақауларды анықтау үшін кең спектрлі уақыт домені рефлектометриясын қолданды. Уақыт домені рефлектометриясының басқа сынақ әдістерінен басты артықшылығы – бұл сынақтардың құрылымды бұзбау қабілеті.

Жер және ауыл шаруашылығы ғылымдарында қолданылады

TDR топырақ пен кеуекті ортаның ылғалдылығын анықтау үшін қолданылады. Соңғы екі онжылдықта топырақ, дәнді дақылдар, азық-түлік және шөгінділердегі ылғалдықты өлшеуде маңызды жетістіктерге қол жеткізілді. TDR-дің сәттілігінің кілті – бұл толқын таралуы арқылы материалдың диэлектрлік тұрақтылығын (рұқсат ету қабілетін) дәл анықтау мүмкіндігі, себебі материалдың диэлектрлік тұрақтылығы мен оның су құрамы арасындағы тығыз байланыс бар, бұл Хоэкстра және Делани (1974) және Топп және басқалар (1980) жүргізген пионерлік зерттеулерде көрсетілген. Осы тақырып бойынша жақындағы шолулар мен анықтамалық еңбектерге Топп пен Рейнольдс (1998), Ноборио (2001), Петтинеллиа және т.б. (2002), Топп пен Ферре (2002) және Робинсон және басқалар (2003) кіретін еңбектері жатады. TDR әдісі – бұл тарату желісінің техникасы, ол топыраққа немесе шөгіндіге орнатылған екі немесе одан көп параллель металл таяқшалардан тұратын тарату желісі бойымен электр магниттік толқынның таралу уақытынан көрінетін диэлектрлік тұрақтылықты (Ka) анықтайды. Зондтар әдетте 10-нан 30 см-ге дейін ұзын болады және коаксиалды кабель арқылы TDR-мен байланыстырылады.

Геотехникалық инженерияда

Уақыт доменінің рефлектометриясы сондай-ақ тас жол тіліктері, теміржол төсектері және ашық карьерлер (Даудинг және О'Коннор, 1984, 2000а, 2000б; Кейн және Бек, 1999) сияқты әртүрлі геотехникалық жағдайларда еңіс қозғалысын бақылау үшін қолданылды. ТДР қолданылатын тұрақтылықты бақылау жүйелерінде коаксиалды кабель, қызығушылық тудыратын аймақтан өтетін тік ұңғымаға орнатылады. Коаксиалды кабельдің кез келген нүктесіндегі электрлік кедергі, өткізгіштер арасындағы изолятордың деформациясына байланысты өзгереді. Жер қозғалысын кабельдің кенеттен деформациясына аудару үшін кабель сынық құммен қоршалады, бұл шағылысу графигінде анықталатын шың ретінде көрінеді. Бұрын бұл әдіс еңістің аз қозғалысына сезімтал болмады және рефлексиялық іздегі өзгерістерді адам анықтауына байланысты автоматтандырылмады. Фаррингтон және Сарганд (2004) ТДР деректерінен еңіс қозғалысының сенімді көрсеткіштерін алу үшін сандық туындыларды қолданатын қарапайым сигналды өңдеу әдісін жасады. Геотехникалық инженерияда ТДР-дің тағы бір қолданылуы – топырақтың ылғалдылығын анықтау. Бұл үшін ТДР-ді топырақтың әртүрлі қабаттарына орналастырып, жауын-шашынның басталу уақытын және ТДР топырақтың ылғалдылығының артуын көрсететін уақытты өлшеу қажет. ТДР-дің тереңдігі (d) белгілі шама, ал екіншісі – су тамшысының осы тереңдікке (t) жетуге кеткен уақыты; демек, судың сіңу жылдамдығын (v) анықтауға болады. Бұл – жауын суларының беттік ағынын азайтудағы тиімді басқару шараларының тиімділігін бағалаудың жақсы тәсілі.

Жартылай өткізгіш құрылғысын талдау

Уақыт доменінің рефлектометриясы жартылай өткізгіштердің ақауларын анықтауда, жартылай өткізгіш құрылғылардың қаптамаларындағы ақаулардың орнын анықтау үшін бұзбайтын әдіс ретінде қолданылады. TDR құрылғы қаптамасындағы жеке өткізгіш жолдардың электрлік сипаттамасын ұсынады және ашық тізбектер мен қысқа тұйықтардың орнын анықтауға көмектеседі.

Әуе желілерін жөндеуде

Уақыт доменінің рефлектометриясы, әсіресе кең спектрлі уақыт доменінің рефлектометриясы авиациялық сымдарда профилактикалық техникалық қызмет көрсету және ақауларды табу үшін қолданылады. Кең спектрлі уақыт доменінің рефлектометриясы авиациялық сымдардың мыңдаған шақырымдық қашықтығындағы ақаудың орнын дәл анықтау мүмкіндігін береді. Бұған қоса, бұл технологияны авиацияны нақты уақыт режимінде бақылау үшін қарастыруға болады, себебі кең спектрлі рефлектометрия тікелей қосылған сымдарда қолданылуы мүмкін. Бұл әдіс үзіліссіз электрлік ақауларды анықтауда тиімділігін көрсетті. Көп тасымалдағыш уақыт доменінің рефлектометриясы (MCTDR) кіріктірілген EWIS диагностикасы немесе ақауларды жою құралдары үшін перспективті әдіс ретінде де танылды. Электромагниттік үйлесімділікті сақтай отырып және сымдарға зиян келтірмейтін көп тасымалдағыш сигналды енгізуге негізделген бұл интеллектуалды технология сымдық жүйелерде электрлік ақауларды (немесе электрлік салдары бар механикалық ақауларды) анықтау, локализациялау және сипаттау үшін ақпарат ұсынады. Қатты ақаулар (қосқыш, ашық тізбек) немесе аралық ақаулар өте жылдам анықталады, бұл сым жүйелерінің сенімділігін арттырады және оларға техникалық қызмет көрсетуді жақсартады.