Thesis (Ph.D)-Cairo University, 2025.

Bibliography: pages 89-99.

Density is indeed a fundamental physical property of all materials. It helps in characterizing and identifying substances and analyzing important topics in various scientific disciplines, including physics, chemistry, materials science, engineering, medical science, environment protection and recycling technology, bioengineering, forensic identification, and food management. Density also plays a crucial role in determining various other important properties and behaviors, such as the elastic modulus and stability of pharmaceutical products. Measuring the density of materials with high accuracy is still a challenging task, and there is a lack of adequate measurement standards for the measurement density of small-sized samples in the National Institutes of Metrology (NMIs).
This thesis describes the design and implementation of a Magnetic Levitation (MagLev) system to measure the materials’ density with high accuracy. The main components of a magnetic levitation system are the paramagnetic solution, the two permanent magnets, and the digital camera to determine the levitation height of a sample. When the sample is submerged in a paramagnetic solution, it can be suspended at an equilibrium position between the two similar magnets with like poles facing each other. A 3D model is explained to facilitate the measuring process. The COMSOL simulation is performed to find a suitable distance between the two magnets for measuring the material’s density up to 1.2 g.cm-3 with a maximum deviation from the standard values of 0.0003 g.cm−3. The magnetic levitation system is examined and verified using standard-density glass beads. Then, various samples (powder and solid) with different densities are tested.
Then, the system is improved to overcome the limitation in the density measurement range of magnetic levitation to cover a wide range of materials (aluminum, copper, etc.). An innovative Hybrid Automatic MagLev (HAMagLev) system is designed to expand the density measurement range. This new system can measure the density by tilting the MagLev instrument to the gravity vector. The new hybrid system has a 3-axis mechanism that plays a pivotal role in measuring proceeding and enabling automatic control through three motors in each axis. This system is controlled using keyboard Teleoperation. Photo interrupter sensors are used to detect the home position of the new system. Hall effect encoders are used for measuring the height of the sample and the tilting angle precisely. The control of all these motions is entrusted to DC motors with encoders as feedback, a significant aspect of the system’s operation. These motors ensure the precise and controlled movement necessary for accurate density measurement in the hybrid MagLev system that can measure the tilting angle precisely. Moreover, the high-quality camera with Raspberry Pi-5 is used to detect and measure the height of the sample from the reference frame using OpenCV-Python package software. From the experimental measurement for the automatic operation, the hybrid system can accurately measure the density of small samples ranging from 0.900 g.cm−3 up to 9.000 g.cm−3. Finally, the new hybrid MagLev system is verified and examined using spherical standard-density glass beads in both postures (vertical and inclination) up to 0.900 g.cm−3. The maximum error from the standard density in vertical posture was 0.0003 g.cm−3. Random samples with different shapes (irregular shapes) are measured up to 9.000 g.cm−3 using the accurate measurement for inclination angle and imaging processing technique. The maximum standard deviation in these samples was 0.004 g.cm−3.

الكثافة تعتبر خاصية فيزيائية أساسية للمواد. تساعد الكثافة في توصيف وتحديد المواد في مختلف التخصصات العلمية، بما في ذلك الفيزياء والكيمياء وعلوم المواد والهندسة والعلوم الطبية وتكنولوجيا حماية البيئة وإعادة التدوير والهندسة الحيوية والتعرف الجنائي وإدارة الأغذية. تقوم الكثافة أيضًا بدور فعال وحاسم في تحديد العديد من الخصائص والسلوكيات المهمة الأخرى، مثل معامل المرونة واستقرار المنتجات الصيدلانية. لا يزال قياس كثافة المواد بدقة عالية مهمة صعبة، وايضا نقص في اجهزة القياس المناسبة لتحديد كثافة العينات صغيرة الحجم في المعاهد المترولوجيا (NMIs).
تناولت الرسالة تصميم وتنفيذ نظام التعليق المغناطيسي (MagLev) لقياس كثافة المواد بدقة عالية. المكونات الاساسية للنظام التعليق المغناطيسي المحلول البارامغناطيسي والمغناطيسان الدائمان والكاميرا الرقمية لتحديد ارتفاع للعينة. عندما تُغمر العينة في محلول بارامغناطيسي، يمكن تعليقها في وضع الاتزان بين المغناطيسين المتشابهين. تم شرح النموذج ثلاثي الأبعاد لتسهيل عملية قياس الكثافة. يتم إجراء محاكاة باستخدام برنامج COMSOL لإيجاد المسافة المناسبة بين المغناطيسين لقياس كثافة المواد حتى 1.2 جم.سم-3 بأقصى انحراف عن القيم المرجعية 0.0003 جم.سم-3. يتم التحقق من النظام التعليق المغناطيسي باستخدام عينات زجاجية مرجعية معلوم قيم الكثافة لها. بعد ذلك تم قياس عينات اخري مختلفة (مسحوق أو صلب) غير معلوم قيم الكثافة لها.
تحسين النظام التعليق المغناطيسي للتغلب على القيود في مدي القياس الكثافة ليشمل مجموعة واسعة من كثافة المواد (مثل الألومنيوم والنحاس... الخ) من خلال تصميم نظام مبتكر مجمع أوتوماتيكي (HAMagLev) لتوسيع مدي قياس كثافة المواد. يتمكن النظام الجديد المبتكر قياس كثافة المواد عن طريق إمالة نظام التعليق المغناطيسي بالنسبة لمتجه قوة الجاذبية. يتكون النظام المجمع الجديد من تقنية ثلاثية المحاور الذي يمثل دورًا محوريًا في قياس الكثافة والقدرة في التحكم الاتوماتيكي من خلال ثلاثة محركات في كل محور. يتم التحكم في هذا النظام باستخدام التشغيل عن بعد بلوحة المفاتيح
(Teleoperation). يتم استخدام أجهزة الاستشعارالضوئية لمعرفة الموضع المرجعي للنظام التعليق المغناطيسي. يتم استخدام مشفرات (Hall effect) لقياس ارتفاع العينة دخل المحلول وزاوية الميل بدقة. يقوم محركات التيار المستمر مع المشفرات كردود فعلfeedback) ( للتحكم في كل هذه الحركات، وهو جانب اساسي من جوانب تشغيل النظام. تضمن هذه المحركات الحركة الدقيقة اللازمة لقياس كثافة المواد بدقة في نظام التعليق المغناطيسي المبتكر الذي يمكنه قياس زاوية الميل بدقة عالية. علاوة على ذلك، يتم استخدام الكاميرا عالية الجودة مع Raspberry Pi-5 لتحديد وقياس ارتفاع العينة داخل المحلول من الموضع المرجعي باستخدام برنامج OpenCV-Python package. من خلال القياسات التجريبية للتشغيل الاوتوماتيكي يمكن للنظام قياس كثافة العينات صغيرة الحجم في المدي من 0.900 جم.سم-3 إلى 9.000 جم.سم-3 بدقة عالية. في النهاية تم التحقق من نظام التعليق المغناطيسي المبتكر الجديد باستخدام عينات زجاجية ذات شكل كروي معلوم قيم الكثافة لها في كل من الوضع الرأسي والمائل حتى 0.900 جم.سم-3. حيث كان اقصي خطأ من القيم المرجعية في الوضع الرأسي 0.0003 جم.سم-3 . تم قياس عينات اخري ذات أشكال مختلفة (غير معلوم قيم الكثافة لها) حتى 9.000 جم.سم-3 من خلال القياس الدقيق لزاوية الميل وتقنية معالجة التصوير. وكان الحد الأقصى للانحراف المعياري في هذه العينات 0.004 جم.سم-3.

Issues also as CD.

Text in English and abstract in Arabic & English.