助力管道数字孪生关键技术之电学层析成像技术
1.电学层析成像技术概述
电学层析成像技术主要通过管道周边获得的边界数据，借助一定的图像重建算法来重建管道内各相介质的电特性参数分布。根据其重构电特性参数的不同，主要可分为电容层析成像（Electrical Capacitance Tomography，ECT）、电阻层析成像（Electrical Resistance Tomography，ERT）和电磁层析成像（Electromagnetic Tomography，EMT），研究对象涵盖了介电常数、电导率、磁导率等主要电磁参数。在过去十几年中，电学层析成像技术得到了快速发展，被很多学者应用于多相流流动特性测量的研究，开展了很多卓有成效的工作。该测量技术具有非侵入、无辐射、成本低廉、不要求管壁和流体透明等特点，且时间分辨率可达毫秒级，解决了常规测试技术的很多问题。
由于在似稳场条件下，ECT/ERT/EMT三种工作模式的敏感场所遵循的规律相同，因而三种成像模式具有诸多相似之处，例如：
（1）硬件系统。目前大多数系统均采用低频正弦波激励及相敏解调模式。常见的，ERT/EMT采用注入电流激励，而ECT采用电压激励，但应该指出的是，对于二端子激励测量方式而言，电流和电压激励均可。
（2）软件系统。由于三种成像模式的敏感区域满足的数理方程类似，因而需要解决的技术难点基本相同，即非线性和病态性；一般采用有限元法（Finite Element Method，FEM）、有限差分法（Finite Difference Method，FDM）、边界元法（Boundary Element Method，BEM）、无网格法等求解及标定。
鉴于ECT/ERT/EMT三种成像系统均由激励、测量、图像重建三部分组成，在硬件设计和软件编制方面具有一定通用性，可将三种成像模态集成于同一平台，信息互补，对被测介质信息进行数据融合处理，以提高系统的性能。图1为电学层析成像系统组成结构。
（1）信息获取单元，通常为空间敏感阵列电极，将介质分布信息变换为电学信号，即根据介质的实际分布，得到正问题的测量值。
（2）信息处理单元，通常为电信号预处理以及调制解调和滤波。
（3）信息恢复单元，根据电学信号遵循的物理定律，进行逆问题求解，重构管道内介质的空间分布的全部信息。
图1 电学层析成像系统结构框图
安装在管道上的一组空间分布的敏感阵列电极，在交变电压/电流的激励下，形成一组可从不同观测角度扫描被测物场的空间敏感场，管道内部介质的空间变化对敏感场产生调制作用，使传感器空间阵列以非侵入方式获取管道内介质特性的二维/三维分布状况的“投影”信息，并以电学信号的形式输出，实现管道内介质分布不完整信息的提取。
随后，由信息处理单元实时地对提取的反映被测介质瞬时分布的信息进行预处理以及调制解调和滤波，准确地传递至信息恢复单元。遵循电学信号的物理定律，采用恰当的图像重建算法，以可视化的方式，恢复管道内的二维/三维的介质分布信息，获取被测介质分布变化的时间历程，使人们直接看到管道内部介质的分布，亦可进一步提取出管道内介质的特征信息，如多相流的流型、相速度、分相含率等。
2. XR应用案例：双模态ERT/EMT
用于管道内三相浓度分布测量
管道内气液固三相浓度分布测量在工业领域中具有重要意义，特别是在石油、化工、能源等行业。由于气、液、固三相流的流动特性复杂，浓度分布的变化对系统的传热、传质、流动阻力等过程有显著影响，因此，实时准确测量气液固三相流体的浓度分布，不仅能够为流动状态的分析提供依据，而且可以有效防止堵塞、腐蚀、磨损等问题的发生，进而帮助优化生产过程，提高设备的运行效率，延长设备寿命，确保系统的稳定运行。
下面介绍ERT/EMT重构管道气液固三相浓度分布的实施过程，图2为实验测量过程使用的系统实物图。
图2 ERT/EMT双模态系统实物图
双模态系统的传感器主要由绝缘管道、均匀布置于管道内壁的ERT激励/测量电极、均匀环绕于管道外的EMT激励线圈和TMR测量元件组成。数据采集系统以FPGA为核心，FPGA内程序设计分为激励模块、数字解调模块、控制模块与USB通信模块。成像系统主要通过上位机软件完成图像重建和图像显示，上位机软件的总体构架主要包括软件界面、内部程序和数据文件三部分。
图3 管道内气、液、固不同运行状态
图4 管道传感器截面气、液、固的浓度分布重构结果
3.总结
作为构建管道数字孪生的关键之一，准确获取管道内多相流流动特性参数，可以为管道运行状态的模拟和动态预测提供强有力的数据支撑。电学层析成像技术的非侵入性、低成本、无辐射以及毫秒级的时间分辨率等特点，使得其在多相流测量领域优势尽显。未来，随着人工智能等技术的进一步发展和和实际应用需求的深入，该技术将在管道安全监测、预警和数字孪生应用中发挥更加关键的作用。
