Riflettometria nel Dominio del Tempo (TDR)

La Riflettometria nel Dominio del Tempo (TDR) è una tecnica basata sull’analisi del segnale viaggiante lungo una linea di trasmissione e riflesso da un generico carico. Tramite la misura del coefficiente di riflessione è possibile misurare il modulo della costante dielettrica di un qualsiasi materiale o l’impedenza equivalente di un generico carico su cui si chiude la linea di trasmissione stessa.

In particolare, l’attività di ricerca, con riferimento ai controlli quantitativi (livelli/volumi di sostanza) ed a quelli qualitativi (parametri fisici quali conducibilità, pH, ecc..) interessa le seguenti aree di applicazione :
• monitoraggio ambientale (acque, terreni, deformazioni strutturali)
• controllo di fiumi, bacini, dighe, pozzi, ecc…
• monitoraggio di sostanze in serbatoi, contenitori, silos, ecc…
• controllo di linee di trasmissione, continuità di cavi, ecc…
• controllo di processi industriali che coinvolgono liquidi o sostanze granulari.
In generale un apparato di misura basato sul TDR genera un impulso che viene trasmesso alla sonda mediante un cavo coassiale. La sonda viene inserita nel mezzo da analizzare.

coaxial_cable

Le variazioni di impedenza, causate dalle variazioni della costante dielettrica, provocano delle discontinuità elettromagnetiche; una parte dell’impulso incidente viene riflesso e dall’analisi del segnale riflesso si determina il coefficiente di riflessione

formula

Si può quindi monitorare il comportamento delle diverse interfacce presenti in un contenitore e localizzare le diverse discontinuità del mezzo e le caratteristiche fisico-chimiche delle sostanze, (costante dielettrica, conducibilità elettrica, eventuale presenza di emulsioni, sedimenti, dispersioni, ecc..);
Il dispositivo elettronico TDR invia un impulso con tempo di salita piuttosto alto all’interno della sonda; calcola il tempo di transito nel seguente modo:
formula_1

quindi memorizza l’ampiezza del segnale riflesso (eco) che ritorna dal sistema sotto esame a causa dalle variazioni di impedenza; converte le misure tempo-tensione in misure distanza-tensione, in modo da localizzare il punto di discontinuità e calcola il Coefficiente di Riflessione inviando tutti i dati al PC.

tdrbig

Per quanto riguarda la sonda, può essere di vario tipo; in particolare la sonda coassiale è costituita da un conduttore cilindrico centrale e da un conduttore esterno perforato adeguatamente per permettere la circolazione del liquido al suo interno.
Le misure sono gestite tramite un software di controllo, che permette di visualizzare graficamente l’andamento del coefficiente di riflessione p al variare della distanza (livello di liquido/i) e la sua derivata. Il parametro più significativo da impostare è Vp (velocità di propagazione nel mezzo), che è responsabile della valutazione delle distanze apparenti, legate alle proprietà del sistema dalla relazione:

formula_2

La distanza che percorre il segnale sino al punto di disadattamento è data dalla seguente relazione:

formula_3

dove D è la distanza percorsa dal segnale sino al punto di disadattamento all’interno del materiale, Da è la corrispondente distanza in aria. La costante dielettrica  e è legata al coefficiente di riflessione p nel modo seguente:

formula_4

In particolare la nostra ricerca attualmente si sta soffermando sullo studio di un sistema integrato di misura e controllo di sostanze liquide e/o granulari le cui principali applicazioni possono riguardare il monitoraggio quantitativo e qualitativo di serbatoi, contenitori, silos ecc. o il monitoraggio ambientale.
Il sistema può essere, eventualmente, gestito completamente in remoto, grazie ad un’apposita unità di telegestione a distanza, in grado di interrogare la strumentazione, ad esempio via GPRS o rete internet, ricevere i dati e rielaborarli successivamente.