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2023-10-21T11:19:46Z

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Die '''Zeitbereichsreflektometrie''', auch bekannt unter der englischen Bezeichnung ''Time Domain Reflectometry'', kurz ''TDR'', ist ein Verfahren zur Ermittlung und Analyse von Lauflängen und Reflexionscharakteristika von [[Elektromagnetische Welle|elektromagnetischen Wellen]] und Signalen. Das Verfahren ist im deutschen Sprachraum auch unter dem Begriff ''Kabelradar'' bekannt.

In der Praxis spielt der Bereich der [[Optische Zeitbereichsreflektometrie|optischen Zeitbereichsreflektometrie]] vor allem in der [[Netzwerktechnik]] eine immer wichtigere Rolle.

== Funktionsweise ==
[[Datei:Reflektometer offen.png|mini|Impulse bei offenem Kabelende]]
[[Datei:Reflektometer kurzgeschlossen.png|mini|Impulse bei kurzgeschlossenem Kabel]]
[[Datei:Reflektometer Zo.png|mini|Impulse bei richtig belastetem Kabel]]
:{{Siehe auch|Impulsfahrplan}}
Für die experimentelle Überprüfung gibt es unterschiedliche Verfahren:
#Ein [[Impulsgenerator (Elektronik)|Impulsgenerator]] erzeugt eine Folge von sehr kurzen Rechteckimpulsen von jeweils etwa 20 ns Dauer, die in so großem Abstand folgen, dass die Echos aller früheren Impulse abgeklungen sind. Diese werden über einen relativ großen Widerstand auf den Innenleiter des [[Koaxialkabel]]s geleitet, dort ist auch mit einem kapazitätsarmen Tastkopf der erste Kanal des Oszilloskops angeschlossen. Am anderen Kabelende wird der andere Kanal des Oszilloskops angeschlossen, dort können die elektrischen Eigenschaften des Kabels bei Belastung mit unterschiedlichen Bauelementen überprüft werden.
##Bei '''offenem''' Kabelende pendeln die Rechteckimpulse zwischen beiden Enden hin und her und verlieren dabei Energie. Es treten ''nur'' Impulse gleicher Polarität auf.
##Am '''kurzgeschlossenen''' Kabelende kann natürlich ''keine'' Spannung gemessen werden, die Impulse werden aber mit vertauschter Polarität zum Kabelanfang reflektiert. Da dort ein ''zu hoher'' Abschlusswiderstand (R > Zo) angeschlossen ist, werden die Impulse nun mit ''gleicher'' Polarität reflektiert. Das Bild erinnert an eine [[Gedämpfte Schwingung#Linear gedämpfte Schwingung|gedämpfte Schwingung]].
##Wenn das rechte Ende mit der dem Kabel entsprechenden [[Wellenwiderstand|Wellenimpedanz]] von Zo (meist 50 Ohm) '''abgeschlossen''' wird, werden ''keine'' Impulse reflektiert. Ein unendlich langes Kabel würde sich genauso verhalten.
#Unter Zuhilfenahme eines [[Heaviside-Funktion|Sprungfunktionsgenerators]] wird an einem Ende der Leitung ein steiles Signal erzeugt. Die [[Signalflanke]] breitet sich über das Medium aus und wird am anderen Ende oder an Störungsstellen reflektiert. Mit Hilfe einer geeigneten Auswerteschaltung oder eines [[Oszilloskop]]s wird daraufhin das gesendete Signal mit dessen Reflexion verglichen und Informationen über [[Signallaufzeit|Laufzeit]], [[Amplitude]] und die [[Elektrische Kapazität|kapazitiven]], [[Elektrischer Widerstand|resistiven]] und [[Induktivität|induktiven]] Charakteristika der [[Reflexion (Physik)|Reflexion]] ermittelt. Die einfache Ansicht der Reflexionen im Oszilloskop macht es hierbei dem Betrachter auch ohne tieferes Fachwissen möglich, eine Einschätzung des Reflexionsverhaltens vorzunehmen.

== Geschichte ==
Die ersten Erfahrungen mit der Zeitbereichsreflektometrie wurden bereits in den 1930er Jahren von Smith-Rose mit Hilfe von [[Radar]]strahlen gemacht. Er erkannte als einer der ersten den Zusammenhang von elektrischen Größen und dem Wassergehalt von porösen Materialien. Angetrieben durch die Fortschritte in der Radartechnik im [[Zweiter Weltkrieg|Zweiten Weltkrieg]] kam es zur Entwicklung geeigneter Messgeräte, die dann in den 1960er Jahren zu den ersten verwertbaren Geräten führten. Als eines der ersten Einsatzgebiete ist hierbei die Lokation von Kabelbrüchen und Quetschungen in der [[Elektrotechnik]] zu nennen. Diese erste Verwendung findet sich heute noch in dem Begriff ''Kabelradar'' wieder, der sich im deutschen [[Sprachraum]] weitläufig eingebürgert hat.

Die Anwendung der neuen Technik in der [[Naturwissenschaft]] erfolgte dann gegen Ende der 1960er, Anfang der 1970er Jahre in der [[Chemie]]. Hier wurden bei der Erforschung von Zusammenhängen der Frequenzabhängigkeit der [[Dielektrizitätskonstante]] von organischen Molekülen und deren Struktur die ersten wissenschaftlichen Erkenntnisse gewonnen.
Der Durchbruch der neuen Technik gelang jedoch erst G.C. Topp [[1980]] in den [[Geowissenschaften]], bei der Bestimmung des [[Volumen|volumetrischen]] [[Wassergehalt]]s im Boden. Da die Messgenauigkeit sehr stark von der Flankensteilheit, das heißt direkt von der Höhe der verwendeten Frequenzen abhängt, gelangte die Technologie mit der Erfindung der [[Tunneldiode]] und von Hochfrequenzoszilloskopen zu höheren Genauigkeiten und damit zu neuen Einsatzbereichen. [[Impulsanstiegszeit]]en im [[Vorsätze für Maßeinheiten|Pico]]-Sekundenbereich (10−12 s) sind heute üblich.

== Einsatzbereiche ==
=== Längenmessung ===
Eine der ersten Anwendungen der Zeitbereichsreflektometrie war die Längenmessung von Kabeln in der [[Elektroindustrie]]. Hierbei wird die Zeit gemessen, die ein ausgesandter Impuls bis zu seinem Wiedereintreffen nach der Reflexion benötigt. Kennt man die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Kabel, die vom [[Dielektrizitätskonstante|Dielektrikum]] abhängt, so kann man von der gemessenen Zeit direkt auf die Länge des Kabels zurückschließen. Aus diesem Einsatzfeld hat sich der Begriff des Kabelradars entwickelt.

Während man früher für diese Messungen noch das Oszilloskop benötigte, gibt es heute bereits fertige Messgeräte, die einem den Längenwert direkt anzeigen. Diese Technik findet eine große Anwendung im Bereich der [[Telekommunikation]] und der [[Netzwerktechnik]]. Bei Neuverkabelungen in Gebäuden erfolgt hierbei die Abrechnung des verlegten [[Twisted-Pair-Kabel|Netzwerkkabels]] nach den gemessenen Werten der Zeitbereichsreflektometrie. Aufgrund der immer höheren [[Bandbreite]] ist jedoch ein Trend zur [[Optische Zeitbereichsreflektometrie|optischen Zeitbereichsreflektometrie]] zu erkennen, in der das verwendete Medium eine [[Glasfaser]] darstellt.

=== Störquellenortung ===
[[Datei:Partial transmittance.gif|mini|300px|Teilweise Reflexion und Transmission eines Impulses an der sprunghaften Änderung der [[Wellenimpedanz]]. Der Anteil der reflektierten und transmittierten Intensität hängt vom Unterschied der Wellenimpedanz ab]]
Das Ziel der Störquellenortung ist es, beispielsweise bei [[Erdkabel]]n Kabelbrüche oder Kabelquetschungen festzustellen und deren Lage zu orten<ref>{{Toter Link| date=2020-02-14 | url=http://www.vde.com/de/fg/etg/exklusiv-mitglieder/diagnostik2006/Thema2/Seiten/07.aspx |text=Methoden der klassischen Kabelfehlerortung in Verbindung mit modernen Reflexionsmessverfahren }}</ref>. Hierbei macht man sich die Eigenschaft der Zeitbereichsreflektometrie zunutze, nicht nur [[Totalreflexion]]en, sondern jede Änderung im Medium zu erkennen. Nur beim Kabelende, einem Kabelbruch oder einem [[Elektrischer Kurzschluss|Kurzschluss]] zwischen Innen- und Außenleiter kommt es zu einer Totalreflexion.

Breitet sich der Impuls entlang des unveränderten Mediums aus, so ändert sich die [[Wellenimpedanz]] im Kabel nicht. Kommt die Impulswelle jedoch auf eine Quetschung, so ändert sich die Impedanz und es erfolgt eine [[Reflexion (Physik)|Teilreflexion]]. Aus dem Zeitpunkt des Eintreffens der Reflexion und deren Natur kann dann auf Ort und Ausmaß der [[Quetschung]] geschlossen werden.

=== Feuchtigkeitsmessung ===
Eine in der [[Geologie]], [[Landwirtschaft]] und [[Industrie]] häufig angewendete Technik zur Bestimmung der [[Feuchte]] ist neben der [[Elektrische Kapazität|kapazitiven]] Feuchtemessung die Zeitbereichsreflektometrie. Hierbei nutzt man die Tatsache, dass die Dielektrizitätskonstante von den meisten Materialien, wie [[Boden (Bodenkunde)|Boden]], [[Getreide]] oder [[Kaffee]], in Abhängigkeit vom Wassergehalt stark differiert.

Über die Laufzeit eines Impulses entlang zweier oder mehr paralleler Leiter (z. B. in Form von Stäben, die man ins Material einbringt) lässt sich die [[volumetrische Feuchte]] berechnen.

Siehe: [[Feuchtemessung mit Zeitbereichsreflektometrie]].

=== Leitfähigkeitsmessung ===
Leitfähige Medien schließen, je nach Grad der [[Elektrische Leitfähigkeit|Leitfähigkeit]], bestimmte Frequenzen in Teilen kurz und führen zu [[Dämpfung]]en der übrigen [[Frequenz]]en.

Setzt man die [[Amplitude]]nwerte des ausgesandten Impulses mit den Amplitudenwerten des reflektierten Impulses in [[Relation (Philosophie)|Relation]], so lässt dies Rückschlüsse auf die Leitfähigkeit des Mediums zu. Da die maximalen Amplituden der hohen Frequenzen jedoch schwer zu bestimmen sind, ist dies ein schwieriges Verfahren, deren Anwendung in Teilen der [[Feuchtigkeitsmessung]] im Boden zu suchen ist.

=== Füllstandmessung ===
Bei einem auf TDR basierenden [[Füllstandssensor|Füllstandmessgerät]] wird von der Elektronik des Sensors ein niedrigenergetischer elektromagnetischer Impuls erzeugt, in einen Leiter (auch Sonde genannt) eingekoppelt und entlang dieser Sonde geführt – in der Regel ein Metallstab oder ein Stahlseil. Trifft dieser Impuls nun auf die Oberfläche des zu messenden Mediums, so wird ein Teil des Impulses dort reflektiert und läuft an der Sonde entlang wieder zur Elektronik zurück, welche dann aus der Zeitdifferenz zwischen dem ausgesandten und dem empfangenen Impuls (im Nanosekunden-Bereich) den Füllstand errechnet. Der Sensor kann den ausgewerteten Füllstand als kontinuierliches Analogsignal oder Schaltsignal ausgeben.
Ein Vorteil dieser relativ aufwendigen Methode ist, dass das Messergebnis kaum durch die Eigenschaften des zu messenden Mediums wie etwa Dichte, Leitfähigkeit und Dielektrizitätskonstante oder durch die Umgebungsbedingungen wie etwa Druck und Temperatur beeinflusst wird, und dass keine störanfälligen bewegten Teile benötigt werden.

== Siehe auch ==
* [[Optische Zeitbereichsreflektometrie]]
* [[Reflektometer]]
* [[Dauerstrichradar#Anwendungen von moduliertem Dauerstrichradar]]

== Literatur ==
* R. L. Smith-Rose: ''The electrical properties of soil for alternating currents at radio frequencies''. In: ''Proceedings of the Royal Society of London'' A 3, 140, May 1933, no. 841, {{ISSN|0962-8444}}, S. 359–337, [https://rspa.royalsocietypublishing.org/content/140/841/359.full.pdf+html?ijkey=48c43376c664a0523801f6f55d3eb1a9d6f39ee0&keytype2=tf_ipsecsha online].
* G. C. Topp, J. L. Davis, A. P. Annan: ''Electromagnetic determination of soil water content: Measurements in coaxial transmission lines''. In: ''Water Resources Research'' 16, 1980, 3, {{ISSN|0043-1397}}, S. 574–582.
* M. Stacheder: ''Die Time Domain Reflectometry in der Geotechnik. Messung von Wassergehalt, elektrischer Leitfähigkeit und Stofftransport''. AGK, Karlsruhe 1996, (''Schriftenreihe Angewandte Geologie der [[Universität Karlsruhe]]'' 40, {{ISSN|0933-2510}}).

== Weblinks ==
{{Commonscat|Time-domain reflectometry|Zeitbereichsreflektometrie|audio=0|video=0}}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Kommunikationstechnik]]
[[Kategorie:Optische Messtechnik]]
[[Kategorie:Elektrische Messtechnik]]
[[Kategorie:Radar]]

[[es:TDR]]

Zeitbereichsreflektometrie - Versionsgeschichte

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