太赫兹光声技术实现油水两相体系的无损检测

《Photoacoustics》：Non-destructive inspection of oil-water two-phase systems by terahertz optoacoustics

本研究针对油水两相体系中水油比的实时、无损、全范围（0–100%）检测难题，开发了一种太赫兹光声方法。该技术成功实现了静态条件下相分布成像与乳液稳定性监测，以及在动态管道流中基于信号强度线性（R2=0.985）和时间延迟相关性（R2=0.996）的双参数流型识别，为非侵入式原位监测石油精炼和食用油加工过程提供了新范式。

　　

在石油开采、食品工业和液体物流等领域，准确测定油水两相体系中的水油比至关重要。它不仅影响石油运输的经济性和安全性，也关乎油脂的生产工艺和质量控制。无论是储存状态下的静态包装油品，还是管道输送中的动态油流，水分的侵入都可能导致氧化加剧、微生物污染甚至乳化，严重威胁油品储存的安全稳定。然而，现有的实时水油比检测方法往往陷入侵入性与准确性难以两全的困境：侵入式技术（如电导/电容探针）会破坏管道完整性且易受腐蚀污染；而非侵入式替代方案，如某些电容法、微波、光学、超声波和红外方法，又各自存在检测范围小、易受电磁干扰、不适用于不透明或乳化流体、在相平衡附近表现不佳或无法兼容塑料管道等固有局限。这些制约凸显了市场对一种兼具无损、高精度和材料普适性的通用检测平台的迫切需求。

正是在这一背景下，发表于《Photoacoustics》期刊上的一项研究提出了一种创新的解决方案——时域太赫兹光声技术。这项研究由天津大学精密测量技术及仪器全国重点实验室的Yixin Yao、Changshen Zhang、Kepei Du、Kun Wang、Jiao Li、Zhen Tian和Weili Zhang共同完成，旨在解决油水多相系统在全范围（0–100%）水油比条件下，无论是静态还是动态工况下的实时、无损定量监测难题。

为了开展研究，研究人员主要依托几个关键技术方法：首先是时域太赫兹光声探测技术本身，其核心是利用脉冲太赫兹辐射被样品吸收后产生光声信号的原理。实验系统有效太赫兹光谱范围为0.2–1.5 THz，脉冲能量4 μJ，采用中心频率1 MHz的压电超声换能器探测信号。其次，研究针对静态和动态两种条件设计了不同的实验方案：静态检测使用聚丙烯试管或容器，通过电机位移台实现空间分辨测量；动态检测则构建了内径10 mm的丙烯酸Y型管道，通过蠕动泵控制形成段塞流和分层流两种流型。此外，信号处理方面采用了基于初始声压（P₀）公式的分析、平均绝对误差（MAE）计算、以及针对不同流型（段塞流依赖信号强度线性关系，分层流依赖时间延迟相关性分析）的双模传感框架。研究所用油品包括工业级3号白油、花生油和大豆油，以纯水作为水相，其太赫兹吸收系数、声速等关键物性参数为方法的应用提供了理论基础。

方法与原理

研究首先阐述了太赫兹光声探测的方法与原理。太赫兹辐射（0.1–10 THz）介于微波和红外之间，具有穿透非金属材料（如塑料）、本质安全（非电离光子）以及极性选择性吸收（可实现水油鉴别）等独特优势。时域光声技术满足热约束和声压约束条件，光声信号的产生可忽略热扩散和声压传播的影响。初始声压P₀由公式 P₀ = (βV_s²/C_p)η_thμ_α(λ)F 决定，其中β为体积热膨胀系数，V_s为声速，C_p为比热容，η_th为热能转化效率，μ_α为太赫兹吸收系数，F为光能量密度。检测策略根据油品的太赫兹吸收特性分为两类：对于白油等太赫兹透射高的非极性物质，信号主要来源于穿透油品后的耦合胶；对于花生油、大豆油等具有一定太赫兹吸收的弱极性物质，信号则来源于油品本身和水的共同作用，其时频域特征存在显著差异。

静态条件下的结果

在静态条件下，研究评估了太赫兹光声技术区分静态聚乙烯对苯二甲酸酯试管内空气、油（白油、大豆油）和水的能力。结果表明，当太赫兹辐射依次穿过空气、油和水时，光声信号强度逐渐增加。这四种介质产生的信号在时域（时间延迟、峰峰值幅度）和频域特征上均存在显著差异，能够清晰区分三相介质。研究进一步对全范围水油比（0%至100%）进行了检测，发现对于花生油和大豆油体系，水油比与太赫兹光声信号的初始时间延迟呈良好的线性关系。此外，该方法还能有效监测添加了不同乳化剂（A和B）的乳液稳定性，信号强度的变化趋势与乳液的实际物理状态（破乳或稳定）高度一致。通过分析峰值强度，研究还成功实现了试管内气-油和油-水界面的成像，三相介质及其层状界面清晰可辨。

动态条件下的结果

为满足工业输送过程中对油水两相流实时水油比监测的需求，研究在水平管道中构建了段塞流和分层流两种典型流型。对于段塞流，基于纯油和纯水流过管道时域信号在特定位置（位置Ⅰ）的强度差异，可以区分管道内段塞流中的油和水，从而估算两相体系的水油比。实验表明，随着水油比从0%增加到40%（间隔5%），统计的信号强度逐渐降低，且与水油比呈现强线性关系（R2 = 0.985，MAE = 2.1%）。对于分层流，研究利用了太赫兹诱导的油层和水层声波之间的时间延迟差异。虽然理论模型（R_w = (1/π)[cos^-1(1-2a) - 2(1-2a)√(a(1-a))]）描述的是非线性关系，但在实验管道中，信号延迟随水体积呈二次方增长（R2 = 0.996，MAE = 1.5%），表明可以在聚乙烯管道中进行非接触式水体积测量。

结论与意义

综上所述，本研究成功展示了时域太赫兹光声技术作为实时、无损检测油水两相体系中水油比的有力工具的潜力。该技术实现了在静态和动态状态下对0–100%全范围水油比的无损检测，能有效监测乳液破乳过程，并为评估乳液稳定性提供了见解。在动态状态下，该方法能有效测量不同流型下的水油比：段塞流中信号强度与水油比呈强线性相关，分层流中初始时间延迟与水油比呈二次相关。时域太赫兹光声技术的高灵敏度和实时检测能力，使其在石油工业生产流体监测、管道输送优化以及食用油质量控制方面具有重要价值。这项技术弥合了实验室表征与工业规模应用之间的关键差距，为能源和食品领域的多相系统检测提供了一种通用解决方案。未来的研究方向包括扩展至三相流（水-油-气）的全面检测，以及通过结合上下游超声探测器和多普勒效应实现变流速工况下的水含量测量，进一步拓展该技术在工业现场的应用前景。