将光子晶体与深度学习相结合，实现多相流检测

编辑 | 萝卜皮

多相流在工业环境中无处不在。通常需要表征这些流体混合物以支持工艺优化。不幸的是，现有的商业技术通常无法提供实现过程优化所必需的频繁、准确且具有成本效益的数据。

在这里，埃克森美孚公司的研究人员展示了一个新的基于物理的概念，并通过实验室和现场原型进行测试，利用光子晶体对多相流进行实时表征。特别是，通过填充流体混合物的光子晶体的低功率（~1 mW）微波传输可以通过深度学习分析技术进行询问，以提供快速准确的相分数和流动形态表征。

另外，当这些流动特性已知时，流量可以从流过光子晶体所需的压差准确地推断出来。这种见解为开发一种独特的廉价、准确和方便的技术来表征多相流提供了基础。

该研究以「Multiphase flow detection with photonic crystals and deep learning」为题，于 2022 年 1 月 28 日发布在《Nature Communications》。

光子晶体（PC）由具有介电特性对比的完美空间阵列组成，这些阵列用于控制光或电磁辐射的传输，并且这些结构允许特定的波传播模式。因此，出现了频率空间带结构，该结构由勾勒出禁止模式的阻带组成。由于这种行为，PC 可以适应大量环境传感应用，这些应用将光子能带结构的变化与系统特定量的变化联系起来，如浓度或物种检测。

多相流测量（MPFM）包含一系列用于推断流动特性的技术，例如相分数、流速和流动形态。确定这些流动特性的常规技术实施起来很麻烦，容易结垢和出错，并且需要定期校准。这包括基于微波的相分数测量；这些测量要么不对整个流动横截面进行采样，要么需要支撑结构或替代的低频射频波段，以允许能量通过具有高含水率的流体混合物进行传输。

在这项工作中，研究人员研究了利用通过 PC 的微波传输来表征相分数、流速和流动形态的效用。与之前涉及空间均匀介电对比度细微变化的 PC 传感应用不同，他们的方法侧重于通过全局相位替换显着改变 PC 介电对比度的效果。

换句话说，研究人员试图确定是否有可能从充满感兴趣流体混合物的 PC 中的介电对比度的空间分布推断流动特性。实现这一点的一种方法是反转结构中时空介电常数的微波传输数据。然而，这种方法需要大量的计算和财务投资，并最终排除了流动特性的实时表征。因此，他们还研究了使用基于深度学习物理的数据分析来询问微波传输数据以支持快速、易于部署且相对便宜的 MPFM 的可行性。

图示：利用光子晶体检测多相材料的概念。（来源：论文）

这项工作表明，光子晶体通过支持低能量（~1 mW）微波的传输来表征多相流。特别是，取向特定透射系数通过介电常数的空间变化对比度对晶体中的空间相位分布敏感。这些宽带测量对整个管道横截面进行采样，并与基于深度学习物理的数据分析有效结合，以比现有商业技术更准确地实时推断相分数和流动形态。

图示：不同油/气馏分的实验和模拟等值线图。（来源：论文）

此外，该团队证明了这种方法在工业环境中施加的条件和限制下是稳健的。特别是，该测量适用于动态流动，并且准确性不会因数据的显着减少而受到影响。此外，当相分数和流速已知时，研究人员还证明了流速是根据流体通过光子晶体所需的压差准确确定的。这些发现应该有助于显着限制与在实践中建立这些技术相关的成本。例如，只需要对 4 个角度和 8 个微波频率进行采样，就可以实现足够准确的流动表征。

图示：使用实验室规模数据进行机器学习预测。（来源：论文）

另外，与其他侵入式传感系统不同，他们的传感器和敏感电子设备不与测试流体直接接触。因此，这些部件不易腐蚀和结垢。或者，如果 PC 被腐蚀或结垢，可以简单地更换便宜的 PC「流量调节器」。为了测试腐蚀或污垢，注入一段标准电介质，然后将相关测量值与初始轮廓图进行比较。此外，基于PC的系统可以在广泛的含水范围内工作，并可能通过一组测量来检测三相流，而不受限制，如其他侵入性方法所需的特定流体条件、成分和操作模式。

图示：中试规模实验和流体相分数和流动状态的机器学习预测。（来源：论文）

对于现场实施，先导系统可以安装在出油管上。在某些情况下，工艺条件（压力、温度和耐化学性等级）可能需要使用需要分流或将 PC 封闭在钢外壳中的改进系统。在后一种情况下，可以将更紧凑的或 2D 射频/微波天线 41 放置在 PC 和带有微波馈通的钢外壳之间以传输微波能量。

图示：用于流量测量的中试规模实验。（来源：论文）

此外，所需的微波频率类似于常见的 Wi-Fi 和 5 G 标准，这意味着生成/接收微波的硬件很容易获得。研究人员预计可以通过利用电磁超材料和超表面的最新进展来改进天线设计。

由于水、油和气的不同介电特性，该技术还可用于推断三相流的组成。PC 图案和介电特性当然可以针对特定应用进行优化。因此，这项工作为衍生新颖且易于部署的流动表征技术以支持工艺优化提供了基础。

论文链接：www.nature.com/articles/s4…