Determining grain size distribution of pneumatically conveyed granular media using the passive acoustic measurement method

Amrollahi, Hamid

Granular materials are present everywhere. Grain size distribution is the major property of each granular material. In practice, this property is determined mostly by sieve analysis. Sieve analysis has numerous disadvantages and limitations. Other available methods are not being used widely, often due to their shortcomings. Applying the passive acoustic measurement method for different purposes has been developed through the last decades. However, applying this method for quantifying grain size distribution has been rarely studied. The present research work experimentally investigates the use of the passive acoustic method for determining grain size distribution of granular materials. Sand has been selected as test material in this study. Extensive experimental programs have been conducted with different laboratory–scale pneumatic test rigs. Thereby, the effects of key parameters have been studied and the optimum experimental setup for grain size analysis has been determined. Parallel with that, in addition to suitable signal processing techniques, Partial Least Square Regression (PLSR) modeling has been applied for predicting the grain size distribution of tested sand samples using recorded acoustic data. Based on the obtained findings, a prototype laboratory device has been set up and tested over a longer period. The collected data from the prototype, together with the corresponding laboratory sieving results, have been used for PLSR modeling. The PLSR models have been verified using both full cross validation and data-splitting methods. Promising results with fair accuracy have been obtained. However, the results suggest that the current system must be further improved to become a reliable device for quantitative grain size analysis.

Granulare Stoffe sind ubiquitär und die Korngrößenverteilung ist die Haupteigenschaft jedes granularen Materiales. Diese Eigenschaft wird in der Praxis normalerweise mittels der Siebanalyse bestimmt. Die Siebanalyse hat mehrere Nachteile und Beschränkungen, wie auch weitere vorhandenen Methoden, welche jedoch selten genutzt werden. Die Anwendung der passiven akustischen Messtechnik wurde in den letzten Jahrzehnten für verschiedene Einsatzgebiete entwickelt. Der Einsatz dieser Messtechnik ist allerdings kaum zur Bestimmung der Korngrößenverteilung von granularen Stoffen erforscht worden. Die vorliegende Forschungsarbeit untersucht experimentell die Weiterentwicklung der passiven akustischen Messtechnik zur Bestimmung der Korngrößenverteilung von granularen Stoffen. Sand wurde als Versuchsmaterial ausgewählt und umfangsreiche Versuchsprogramme wurden mit verschiedenen pneumatischen Laborversuchsanlagen ausgeführt. Hierbei wurden Einflüsse der Hauptfaktoren untersucht und die optimalen Versuchsbedingungen zur Bestimmung der Korngrößenverteilung festgelegt. Partial Least Square Regression (PLSR) sowie geeignete Signalbearbeitungsmethoden, wurde eingesetzt, um einen quantitativen Zusammenhang zwischen Korngrößenverteilung und akustischen Daten zu bilden. Basierend auf den gewonnenen Ergebnissen wurde anschließend der Prototyp eines Laborgerätes gebaut und über einen längeren Zeitraum evaluiert. Die aufgenommenen akustischen Datensätze, zusammen mit den entsprechenden Siebergebnissen, wurden zur PLSR-Modelbildung angesetzt. Die PLSR-Modelle wurden mittels full cross validation und data-splitting verifiziert. Vielversprechende Ergebnisse mit ausreichender Genauigkeit wurden erzielt. Die Ergebnisse zeigen, dass das vorgestellte System weiter optimiert werden sollte, um ein zuverlässiges Gerät zur routinemäßigen Bestimmung der Korngrößenverteilung zu erhalten.

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Amrollahi, Hamid: Determining grain size distribution of pneumatically conveyed granular media using the passive acoustic measurement method. 2017.

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