管道运输是一种普遍且高效的大规模物料输送方式[1]，[2]，广泛应用于能源输送[3]和原材料运输[4]。由于其较低的运营成本、高吞吐量、有限的土地占用以及良好的安全性能[5]，基于管道的输送方式继续展现出广阔的工程前景[6]。在能源领域，管道通常在气体-液体或更复杂的多相条件下输送天然气、原油和煤层气[7]，[8]，[9]，[10]，[11]。在地下采矿中，管道输送回填浆料（通常由水泥、矸石、粉煤灰和水组成）是实现绿色和安全采矿系统的关键技术，如固化回填和超高水回填[12]，[13]，[14]，[15]，[16]，[17]。
尽管有这些优势，输送的介质很少是理想的单相流体。在实际工业场景中，经常出现固-液-气混合物，而这些耦合的多相动态可能导致严重的运行故障，包括堵塞[18]，[19]，[20]，侵蚀[21]和泄漏[22]。例如，在天然气水合物运输过程中，水合物颗粒可能在重力作用下逐渐聚集并沉淀，导致逐渐沉积并最终堵塞管道[20]。同样，在地下回填管道中，粗大的矸石颗粒在长距离运输过程中容易沉积，形成不断发展的沉积层，如果未能及时检测和缓解，可能会发展成完全堵塞[23]。这些事件不仅会中断生产，还可能进一步引发管道破裂或爆炸，造成重大经济损失和安全风险[24]。因此，可靠的多相分布在线监测和早期堵塞演变监测对于确保多相管道系统的安全运行至关重要。
当发生沉积或分层时，管道内部状态从准均匀配置转变为异质多相结构（例如，分层、分离或不连续分布[25]）。因此，有效的监测方法应能够以足够的灵敏度和及时性识别这种转变，以支持早期预警和干预[26]，[27]，[28]。现有的多相管道监测方法通常分为接触式和非接触式两种[29]，[30]，如图1所示。
接触式监测依赖于与管道壁或直接与内部流体/介质接触的传感器。典型的例子包括压力传感器[31]，[32]，[33]，流量计[34]，[35]，电阻率传感器[36]，[37]，[38]，[39]，基于极化的方法[40]，以及电阻率层析成像（ERT）[41]，[42]，[43]，[44]。这些方法通常因其成熟的原则和相对较低的初始成本而具有吸引力。然而，它们通常需要结构修改（例如，开口、嵌入式电极、布线路径），并且在恶劣的地下环境中可能面临安装复杂性和维护挑战。此外，当多相分布高度不均匀时，接触式监测的鲁棒性可能会受到限制，通常需要多个监测点和复杂的重建或数据融合才能达到可接受的诊断精度。
非接触式监测技术避免了直接侵入管道结构，因此在复杂的工业条件下更具实用性。代表性的方法包括电磁流量计[45]，[46]，[47]，超声波方法[48]，[49]，[50]，振动声学监测[51]，[52]，[53]，以及基于振动的监测[54]，[55]，[56]。然而，许多非接触式解决方案主要针对流量监测设计，可能对环境噪声、厚管道壁的声学衰减或多相模式与测量物理场之间的复杂耦合敏感。因此，对于静态或准静态多相状态（例如，在完全堵塞之前的沉积/分层）的可靠识别仍然不够充分，留下了早期堵塞监测的实际空白。
总的来说，接触式方法在长距离浆料/回填管道中面临实际挑战，因为需要侵入式安装和接触退化，而许多非接触式技术要么强调动态监测，要么需要阵列和重建来推断内部状态。这激发了需要一种可在静态/准静态分层条件下有效使用的、物理上可解释的非接触式传感策略的需求——这正是本研究的重点。
尽管由于在中国广泛的应用，地下回填浆料管道得到了更多的报道，但多相传输、分层和早期堵塞监测的基本挑战在国际管道系统中也是普遍存在的，例如石油和天然气、化工以及浆料运输行业。因此，除了针对中国的回填研究外，这项工作还结合了国际上在非侵入式多相监测方面的代表性进展，包括超声波、振动声学和基于电容/阻抗的方法，以建立所提出方法的更清晰的全球研究背景。
同时，《传感器与执行器：A. 物理》杂志报道了在利用外部物理场和材料属性进行非接触式测量的传感机制和建模框架方面的持续进展。例如，基于LiNbO?晶体中的Pockels效应的光学电场传感器已被开发用于功率频率电场测量，据报道其灵敏度为2.2 mV/(kV/m)，测量范围从0.045 kV/m到171.32 kV/m，并已证明适用于在高电压绝缘体上绘制电场分布[57]。同时，先进的建模和识别技术也被用来表征功能材料的电场依赖行为（例如，由Bouc–Wen型模型描述的压电滞后和参数识别策略），强调了将基于物理的建模与实验验证相结合对于传感器开发的重要性[58]。此外，设计用于接近功率频率工作的低频场相关设备（例如，采集器/传感器）进一步突出了在低频环境中稳健运行的实际需求[59]。这些研究共同表明，基于场的传感，结合严格的建模和验证，是在恶劣环境中开发可部署传感系统的一个高度相关方向。
受上述差距和研究趋势的启发，本研究提出了一种基于低频电场的非接触式传感方法，用于多相管道的静态/准静态状态。关键的物理机制是，当管道内部发生分离或沉积时，内部介质的有效介电特性（相对介电常数）会发生变化。这种介电变化会扰动管道周围的外部电场分布，从而通过管道外部的电场强度测量实现间接传感。在本研究中，使用非导电和非磁性的亚克力（PMMA）管道进行了数值模拟和实验验证。这一原理特别适用于非导电和非磁性管道材料（例如，亚克力），其中外部场扰动主要由介电对比而不是导电屏蔽效应主导。
本文通过三个互补的部分研究了所提出方法的可行性和性能：（i）不同介电配置下电场变化的理论分析；（ii）基于COMSOL的数值模拟，涵盖了三种代表性的两相组合，包括气体-液体（G–L）、气体-固体（G–S）和液体-固体（L–S）；以及（iii）使用物理传感系统进行的实验室实验，以验证理论和模拟结果。主要贡献总结如下：
(1)设计了一种非接触式低频电场传感系统，用于识别管道内的多相静态状态。
(2)建立了一个基于物理的理论框架，以解释由介电变化和分层高度变化引起的电场响应。
(3)模拟和实验室测试证明了外部电场强度对管道内分层界面高度和材料组成的敏感性。
(4)引入了一种复合Exp3P2型模型，用于定量描述测量到的电场强度与内部材料分布之间的关系，支持多相状态预测和早期堵塞监测。
