Zeitbereichsreflektometer

Ein Zeitbereichsreflektometer ( TDR ) ist ein elektronisches Messgerät zur Bestimmung der Eigenschaften elektrischer Leitungen durch Beobachtung reflektierter Impulse . Es kann zur Charakterisierung und Lokalisierung von Fehlern in metallischen Kabeln (z. B. verdrillten Adernpaaren oder Koaxialkabeln ) ^{[ 1 ]} sowie zur Lokalisierung von Unterbrechungen in Steckverbindern, Leiterplatten oder anderen elektrischen Leitungen eingesetzt werden.

Ein TDR misst Reflexionen entlang eines Leiters. Dazu sendet das TDR ein einfallendes Signal auf den Leiter und erfasst dessen Reflexionen . Besitzt der Leiter eine gleichmäßige Impedanz und ist er korrekt abgeschlossen , treten keine Reflexionen auf, und das verbleibende einfallende Signal wird am anderen Ende vom Abschluss absorbiert. Bei Impedanzschwankungen hingegen wird ein Teil des einfallenden Signals zur Quelle zurückreflektiert. Das Prinzip eines TDR ist dem eines Radars ähnlich .

Die Impedanz der Diskontinuität lässt sich aus der Amplitude des reflektierten Signals bestimmen . Der Abstand zur reflektierenden Impedanz kann auch aus der Laufzeit eines Impulses ermittelt werden . Die Einschränkung dieser Methode liegt in der minimalen Anstiegszeit des Systems . Die Gesamtanstiegszeit setzt sich aus der Anstiegszeit des Anregungsimpulses und der des Oszilloskops oder Abtasters zusammen, der die Reflexionen erfasst.

Die TDR - Analyse beginnt mit der Einspeisung eines Energiesprungs oder -impulses in ein System und der anschließenden Beobachtung der vom System reflektierten Energie. Durch die Analyse von Amplitude, Dauer und Form des reflektierten Signals lässt sich die Art der Impedanzänderung im Übertragungssystem bestimmen.

Wird am Ausgang des Reflektometers ein rein ohmscher Widerstand angeschlossen und ein Sprungsignal angelegt, so ist auf dem Display ein Sprungsignal zu beobachten, dessen Höhe vom Widerstand abhängt. Die Amplitude des durch den Widerstand hervorgerufenen Sprungs lässt sich als Bruchteil des Eingangssignals wie folgt ausdrücken:

$${\displaystyle \rho ={\frac {R_{L}-Z_{0}}{R_{L}+Z_{0}}}}$$

Wo liegt die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung ? ${\displaystyle Z_{0}}$

Im Allgemeinen weisen die Reflexionen dieselbe Form wie das einfallende Signal auf, ihr Vorzeichen und ihre Amplitude hängen jedoch von der Impedanzänderung ab. Bei einem sprunghaften Anstieg der Impedanz hat die Reflexion dasselbe Vorzeichen wie das einfallende Signal; bei einem sprunghaften Abfall der Impedanz hat sie das entgegengesetzte Vorzeichen. Die Amplitude der Reflexion hängt nicht nur von der Höhe der Impedanzänderung, sondern auch von den Verlusten im Leiter ab.

Die Reflexionen werden am Ein-/Ausgang des TDR gemessen und als Funktion der Zeit angezeigt oder grafisch dargestellt. Alternativ kann die Anzeige auch in Abhängigkeit von der Kabellänge abgelesen werden, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals in einem gegebenen Übertragungsmedium nahezu konstant ist.

Aufgrund seiner Empfindlichkeit gegenüber Impedanzänderungen kann ein TDR verwendet werden, um die Impedanzeigenschaften von Kabeln, die Positionen von Spleißstellen und Steckverbindern sowie die damit verbundenen Verluste zu überprüfen und die Kabellängen abzuschätzen.

TDRs nutzen unterschiedliche Eingangssignale. Einige TDRs senden einen Impuls entlang des Leiters aus; die Auflösung solcher Geräte entspricht oft der Impulsbreite. Schmale Impulse bieten eine gute Auflösung, weisen jedoch hochfrequente Signalanteile auf, die in langen Kabeln gedämpft werden. Die Impulsform ist häufig eine Halbwellensinuswelle. ^{[ 2 ]} Für längere Kabel werden größere Impulsbreiten verwendet.

Es werden auch Schritte mit kurzer Anstiegszeit verwendet. Anstatt die Reflexion eines vollständigen Impulses zu erfassen, konzentriert sich das Instrument auf die Anstiegsflanke, die sehr schnell sein kann. ^{[ 3 ]} Ein TDR-Gerät aus den 1970er Jahren nutzte Schritte mit einer Anstiegszeit von 25 ps. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

Wieder andere TDRs senden komplexe Signale aus und erfassen Reflexionen mithilfe von Korrelationsverfahren. Siehe Spread-Spectrum-Zeitbereichsreflektometrie .

Das entsprechende Gerät für optische Fasern ist ein optisches Zeitbereichsreflektometer .

Die Zeitbereichstransmissometrie ( TDT ) ist eine analoge Technik, die den übertragenen (und nicht den reflektierten) Impuls misst. Zusammen bieten sie ein leistungsstarkes Mittel zur Analyse elektrischer oder optischer Übertragungsmedien wie Koaxialkabel und Glasfasern .

Es existieren verschiedene Varianten der TDR-Methode. Beispielsweise wird die Spread-Spectrum-Zeitbereichsreflektometrie (SSTDR) zur Erkennung intermittierender Fehler in komplexen und stark verrauschten Systemen wie der Flugzeugverkabelung eingesetzt. ^{[ 7 ]} Eine weitere Variante ist die kohärente optische Zeitbereichsreflektometrie (COTDR), die in optischen Systemen Anwendung findet. Hierbei wird das reflektierte Signal mit einem Lokaloszillator gemischt und anschließend gefiltert, um das Rauschen zu reduzieren. ^{[ 8 ]}

Diese Spuren wurden mit einem Zeitbereichsreflektometer erzeugt, das aus handelsüblichen Laborgeräten aufgebaut war und an ein etwa 30 Meter langes Koaxialkabel mit einer charakteristischen Impedanz von 50 Ohm angeschlossen war. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit in diesem Kabel beträgt etwa 66 % der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

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  Einfacher TDR aus Laborgeräten
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  Einfacher TDR aus Laborgeräten
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  TDR-Messung einer Übertragungsleitung mit offenem Abschluss
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  TDR-Messung einer Übertragungsleitung mit Kurzschlussabschluss
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  TDR-Messung einer Übertragungsleitung mit einem 1-nF-Abschlusskondensator
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  TDR-Messung einer Übertragungsleitung mit nahezu idealem Abschluss
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  TDR-Messung einer Übertragungsleitung, die an einem hochohmigen Eingang eines Oszilloskops abgeschlossen ist. Die blaue Kurve zeigt den Impuls am anderen Ende der Leitung. Sie ist versetzt, sodass die Grundlinie jedes Kanals sichtbar ist.
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  TDR-Messung einer Übertragungsleitung, die an einem hochohmigen Oszilloskopeingang mit einem Sprungsignal einer angepassten Spannungsquelle angeschlossen ist. Die blaue Kurve zeigt das Signal am anderen Ende der Leitung.

Diese Messkurven wurden mit einem kommerziellen TDR-Gerät erzeugt. Dabei wurde ein Stufensignal mit einer Anstiegszeit von 25 ps, ein Messkopf mit einer Anstiegszeit von 35 ps und ein 0,46 m langes SMA-Kabel verwendet. ^{[ 9 ]} Das andere Ende des SMA-Kabels war entweder offen oder mit verschiedenen Adaptern verbunden. Der Impuls benötigt etwa 3 ns, um das Kabel zu durchlaufen, reflektiert zu werden und den Messkopf zu erreichen. In einigen Messkurven ist eine zweite Reflexion (bei etwa 6 ns) zu erkennen. Diese entsteht durch eine geringfügige Fehlanpassung der reflektierten Welle am Messkopf, wodurch eine weitere „einfallende“ Welle das Kabel entlangläuft.

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  TDR des Schritts in einen nicht getrennten SMA-Stecker (nicht präzise geöffnet): horizontal: 1 ns/div, vertikal: 0,5 ρ/div
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  TDR des Schritts in einen nicht angeschlossenen APC-7mm-Stecker
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  TDR des Schritts in APC-7mm Präzisionsöffnung
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  TDR des Schritts in die APC-7mm-Präzisionslast
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  TDR des Schritts in APC-7mm Präzisionskurz
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  TDR des Schritts in APC-7mm Präzisions-Offen- Horizontal: 20 ps/div
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  TDR-Messung des Übergangs in ein verbundenes BNC-Steckerpaar; die maximale Reflexion beträgt 0,04; horizontal: 200 ps/div; vertikal: 20 mρ/div

Wird das Kabelende kurzgeschlossen, d. h. mit einer Impedanz von null Ohm abgeschlossen, und die ansteigende Flanke eines Impulses wird durch das Kabel gesendet, springt die Spannung am Sendepunkt schlagartig auf einen bestimmten Wert hoch, und der Impuls breitet sich im Kabel in Richtung des Kurzschlusses aus. Trifft der Impuls auf den Kurzschluss, wird am Kabelende keine Energie absorbiert. Stattdessen wird ein invertierter Impuls vom Kurzschluss zurück zum Sendepunkt reflektiert. Erst wenn diese Reflexion den Sendepunkt erreicht, fällt die Spannung dort abrupt auf null ab und signalisiert so das Vorhandensein eines Kurzschlusses am Kabelende. Das heißt, das TDR-Gerät erkennt einen Kurzschluss am Kabelende erst, nachdem der ausgesendete Impuls sich im Kabel ausgebreitet hat und das Echo zurückgekehrt ist. Erst nach dieser Laufzeitverzögerung kann der Kurzschluss vom TDR-Gerät detektiert werden. Kennt man die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals im zu prüfenden Kabel, lässt sich die Entfernung zum Kurzschluss messen.

Ein ähnlicher Effekt tritt auf, wenn das andere Ende des Kabels ein offener Stromkreis ist (mit unendlicher Impedanz abgeschlossen). In diesem Fall ist die Reflexion am anderen Ende jedoch identisch mit dem ursprünglichen Impuls polarisiert und verstärkt diesen, anstatt ihn auszulöschen. Nach einer Laufzeitverzögerung springt die Spannung am TDR daher abrupt auf das Doppelte der ursprünglich angelegten Spannung.

Eine perfekte Terminierung am Kabelende würde den angelegten Impuls vollständig absorbieren, ohne Reflexionen zu verursachen, wodurch die Bestimmung der tatsächlichen Kabellänge unmöglich wäre. In der Praxis ist jedoch fast immer eine geringe Reflexion zu beobachten.

Die Stärke der Reflexion wird als Reflexionskoeffizient oder ρ bezeichnet . Der Koeffizient liegt zwischen 1 (Leerlauf) und −1 (Kurzschluss). Der Wert Null bedeutet, dass keine Reflexion auftritt. Der Reflexionskoeffizient wird wie folgt berechnet: Dabei ist Z _{_o} die charakteristische Impedanz des Übertragungsmediums und Z _{_t} die Impedanz des Abschlusswiderstands am fernen Ende der Übertragungsleitung . $${\displaystyle \rho ={\frac {Z_{\text{t}}-Z_{\text{o}}}{Z_{\text{t}}+Z_{\text{o}}}}}$$

Jede Diskontinuität kann als Abschlussimpedanz betrachtet und durch Z_{_t} ersetzt werden . Dies umfasst abrupte Änderungen der charakteristischen Impedanz. Beispielsweise stellt eine in der Mitte verdoppelte Leiterbahnbreite auf einer Leiterplatte eine Diskontinuität dar. Ein Teil der Energie wird zur Anregungsquelle zurückreflektiert; die verbleibende Energie wird übertragen. Dies wird auch als Streuübergang bezeichnet.

Zeitbereichsreflektometer (TDR) werden häufig für die Vor-Ort-Prüfung sehr langer Kabelstrecken eingesetzt, da das Ausgraben oder Entfernen eines kilometerlangen Kabels unpraktisch ist. Sie sind unverzichtbar für die vorbeugende Wartung von Telekommunikationsleitungen , da TDRs den Widerstand an korrodierenden Verbindungen und Steckverbindern sowie die zunehmende Isolationsleckage durch Feuchtigkeitsaufnahme und -alterung erkennen können – lange bevor es zu schwerwiegenden Ausfällen kommt. Mit einem TDR lässt sich ein Fehler zentimetergenau lokalisieren.

TDRs sind auch sehr nützliche Werkzeuge für technische Überwachungsabwehrmaßnahmen , da sie helfen, das Vorhandensein und den Standort von Abhörmaßnahmen zu ermitteln . Die geringfügige Änderung der Leitungsimpedanz, die durch das Einführen eines Abhör- oder Spleißanschlusses verursacht wird, wird auf dem Display eines TDR angezeigt, sobald dieses an eine Telefonleitung angeschlossen ist.

TDR-Geräte sind auch ein unverzichtbares Werkzeug zur Fehleranalyse moderner Hochfrequenz-Leiterplatten mit Signalleitern, die Übertragungsleitungen simulieren . Durch die Beobachtung von Reflexionen lassen sich nicht verlötete Pins von BGA-Bauelementen erkennen . Kurzgeschlossene Pins können auf ähnliche Weise detektiert werden.

Das TDR-Prinzip findet in industriellen Anwendungen Verwendung, beispielsweise bei der Prüfung von integrierten Schaltungen oder der Messung von Flüssigkeitsständen. Bei der Prüfung von integrierten Schaltungen dient das Zeitbereichsreflektometer dazu, fehlerhafte Stellen zu lokalisieren. Die Messung von Flüssigkeitsständen ist hauptsächlich auf die Prozessindustrie beschränkt.

Bei einem TDR-basierten Füllstandsmessgerät wird ein Impuls erzeugt, der sich entlang eines dünnen Wellenleiters (der sogenannten Sonde) – typischerweise ein Metallstab oder ein Stahlseil – ausbreitet. Trifft dieser Impuls auf die Oberfläche des zu messenden Mediums, wird ein Teil davon im Wellenleiter zurückreflektiert. Das Gerät ermittelt den Flüssigkeitsstand, indem es die Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden des Impulses und dem Eintreffen der Reflexion misst. Die Sensoren können den gemessenen Füllstand als kontinuierliches analoges Signal oder als Schaltsignal ausgeben. In der TDR-Technologie wird die Impulsgeschwindigkeit primär durch die Permittivität des Mediums beeinflusst, durch das sich der Impuls ausbreitet. Diese kann stark vom Feuchtigkeitsgehalt und der Temperatur des Mediums abhängen. In vielen Fällen lässt sich dieser Effekt problemlos korrigieren. In manchen Fällen, beispielsweise bei siedenden Medien oder hohen Temperaturen, kann die Korrektur jedoch schwierig sein. Insbesondere die Bestimmung der Schaumhöhe und des Flüssigkeitsstands in schäumenden/siedenden Medien kann sehr schwierig sein.

Die Dam Safety Interest Group von CEA Technologies, Inc. (CEATI), ein Konsortium von Organisationen der Elektrizitätswirtschaft, hat die Spread-Spectrum-Zeitbereichsreflektometrie (TSR) eingesetzt , um potenzielle Fehler in den Ankerkabeln von Betonstaudämmen zu identifizieren. Der Hauptvorteil der TSR gegenüber anderen Prüfmethoden liegt in der zerstörungsfreien Durchführung dieser Tests. ^{[ 10 ]}

Die TDR-Methode dient zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts in Böden und porösen Medien. In den letzten zwei Jahrzehnten wurden bedeutende Fortschritte bei der Feuchtigkeitsmessung in Böden, Getreide, Lebensmitteln und Sedimenten erzielt. Der Schlüssel zum Erfolg der TDR-Methode liegt in ihrer Fähigkeit, die Permittivität (Dielektrizitätskonstante) eines Materials anhand der Wellenausbreitung präzise zu bestimmen. Dies beruht auf dem engen Zusammenhang zwischen der Permittivität eines Materials und seinem Wassergehalt, wie die Pionierarbeiten von Hoekstra und Delaney (1974) sowie Topp et al. (1980) gezeigt haben. Aktuelle Übersichtsartikel und Referenzwerke zu diesem Thema sind unter anderem Topp und Reynolds (1998), Noborio (2001), Pettinellia et al. (2002), Topp und Ferre (2002) sowie Robinson et al. (2003). Die TDR-Methode ist ein Übertragungsleitungsverfahren und bestimmt die scheinbare Permittivität (Ka) aus der Laufzeit einer elektromagnetischen Welle, die sich entlang einer Übertragungsleitung ausbreitet. Diese besteht üblicherweise aus zwei oder mehr parallelen Metallstäben, die in Boden oder Sediment eingebettet sind. Die Sonden sind typischerweise zwischen 10 und 30 cm lang und werden über ein Koaxialkabel mit dem TDR verbunden.

Die Zeitbereichsreflektometrie (TDR) wurde auch zur Überwachung von Hangbewegungen in verschiedenen geotechnischen Bereichen eingesetzt, darunter Straßeneinschnitte, Bahndämme und Tagebaue (Dowding & O'Connor, 1984, 2000a, 2000b; Kane & Beck, 1999). Bei der Stabilitätsüberwachung mittels TDR wird ein Koaxialkabel in einem vertikalen Bohrloch verlegt, das durch den zu untersuchenden Bereich verläuft. Die elektrische Impedanz an jedem Punkt des Koaxialkabels ändert sich mit der Verformung der Isolierung zwischen den Leitern. Ein spröder Verpressmörtel umgibt das Kabel und wandelt Erdbewegungen in abrupte Kabelverformungen um, die sich als detektierbarer Peak im Reflexionssignal zeigen. Bis vor Kurzem war die Technik relativ unempfindlich gegenüber kleinen Hangbewegungen und konnte nicht automatisiert werden, da sie auf der manuellen Erfassung von Veränderungen im Reflexionssignal über die Zeit beruhte. Farrington und Sargand (2004) entwickelten ein einfaches Signalverarbeitungsverfahren mit numerischen Ableitungen, um zuverlässige Hinweise auf Hangbewegungen aus den TDR-Daten deutlich früher als mit herkömmlichen Interpretationsmethoden zu gewinnen.

Eine weitere Anwendung von TDRs in der Geotechnik ist die Bestimmung des Bodenfeuchtegehalts. Dazu werden die TDRs in verschiedenen Bodenschichten platziert und der Zeitpunkt des Niederschlagsbeginns sowie der Zeitpunkt, zu dem die TDRs einen Anstieg des Bodenfeuchtegehalts anzeigen, gemessen. Die Tiefe der TDR (d) ist ein bekannter Faktor, ebenso wie die Zeit ( t ) , die ein Wassertropfen benötigt, um diese Tiefe zu erreichen . Daraus lässt sich die Wasserinfiltrationsgeschwindigkeit ( v ) bestimmen. Dies ist eine geeignete Methode, um die Wirksamkeit von Maßnahmen zur Reduzierung des Oberflächenabflusses bei Starkregen zu beurteilen .

Die Zeitbereichsreflektometrie (TDR) wird in der Halbleiterfehleranalyse als zerstörungsfreies Verfahren zur Lokalisierung von Defekten in Halbleitergehäusen eingesetzt. Die TDR liefert die elektrische Signatur einzelner Leiterbahnen im Gehäuse und eignet sich zur Bestimmung von Unterbrechungen und Kurzschlüssen.

Die Zeitbereichsreflektometrie, insbesondere die Spread-Spectrum-Zeitbereichsreflektometrie, wird in der Luftfahrtverkabelung sowohl zur vorbeugenden Wartung als auch zur Fehlerortung eingesetzt. ^{[ 11 ]} Die Spread-Spectrum-Zeitbereichsreflektometrie bietet den Vorteil, Fehler innerhalb Tausender Kilometer Verkabelung präzise zu lokalisieren. Darüber hinaus ist diese Technologie für die Echtzeitüberwachung in der Luftfahrt von Bedeutung, da die Spread-Spectrum-Reflektometrie auch an unter Spannung stehenden Leitungen angewendet werden kann.

Diese Methode hat sich als nützlich für die Lokalisierung intermittierender elektrischer Fehler erwiesen. ^{[ 12 ]}

Die Multiträger-Zeitbereichsreflektometrie (MCTDR) hat sich als vielversprechende Methode für eingebettete EWIS-Diagnose- und Fehlersuchwerkzeuge erwiesen. Basierend auf der Einspeisung eines Mehrträgersignals (EMV-konform und unschädlich für die Leitungen) liefert diese intelligente Technologie Informationen zur Erkennung, Lokalisierung und Charakterisierung elektrischer Defekte (oder mechanischer Defekte mit elektrischen Auswirkungen) in Verkabelungssystemen. Permanente Fehler (Kurzschluss, Unterbrechung) oder intermittierende Defekte lassen sich sehr schnell erkennen, wodurch die Zuverlässigkeit von Verkabelungssystemen erhöht und deren Wartung verbessert wird. ^{[ 13 ]}

• Frequenzbereichssensor
• Murray-Schleifenbrücke
• Rauschbereichsreflektometrie
• Nicolson-Ross-Weir-Methode
• Optisches Zeitbereichsreflektometer
• Rücklaufverlust
• Stehwellenverhältnis

• Hoekstra, P. und A. Delaney, 1974. „Dielektrische Eigenschaften von Böden bei UHF- und Mikrowellenfrequenzen“. Journal of Geophysical Research 79 : 1699–1708.
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• Robinson, DA, CS Campbell, JW Hopmans, BK Hornbuckle, Scott B. Jones, R. Knight, F. Ogden, J. Selker und O. Wendroth, 2008. „Bodenfeuchtemessung für ökologische und hydrologische Observatorien im Einzugsgebietsmaßstab: Ein Überblick.“ Vadose Zone Journal 7: 358-389.
• Topp GC, JL Davis und AP Annan, 1980. „Elektromagnetische Bestimmung des Bodenwassergehalts: Messungen in Koaxialleitungen“. Water Resources Research 16 : 574–582.
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• Dowding, CH & O'Connor, KM 2000a. „Vergleich von TDR und Inklinometern zur Hangüberwachung“. Geotechnical Measurements—Proceedings of Geo-Denver2000 : 80–81. Denver, CO.
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• Erweiterte Schulung zur Funkortung – Das ABC der TDRs
• Die Reparaturarbeiten am beschädigten Netz haben begonnen.
• Theorie der Zeitbereichsreflektometrie (PDF) , Anwendungsbeschreibung, Keysight Technologies, 31. Mai 2013, AN-1304-2, archiviert (PDF) vom Original am 9. Oktober 2022 , abgerufen am 13. Februar 2012
• DeWinter, Paul; Ashley, Bill (2011), Step vs Pulse TDR Technology (PDF) , Application Note, AEA Technology, Inc., AN201, archiviert vom Original (PDF) am 26.08.2014.
• TDR für digitale Kabel – TDR für Mikrowellen-/HF- und digitale Kabel
• TDR vs. FDR: Entfernung zum Fehler