Статья из сайта petrovlam.ru
Автор: Петров В М
Введена 01.01.2009
Последнее обновление: Изменена: 19.10.2009

Часть 1      Пузырьковый индикатор уровня

       Аннотация.         В статье приводится описание технологии, пригодной для домашнего изготовления ватерпаса с плавающим пузырьком.

 

 

Как-то мне понадобилось научиться самостоятельному изготовлению мозаичной плитки для облицовки и украшения стенок в ванной комнате, в туалете и на кухне. Одним из условий для начала работы было решение задачи об организации строго горизонтальной поверхности верстака. Готовые устройства (иногда такие устройства почему-то называют «УРОВНЕМ») меня не удовлетворили из-за своей принципиально низкой точности индицирования достигнутой горизонтальности. Паспортные данные – называют, например, 1мм/м (0,057º). Однако проверка этого параметра показала, что названная точность – чистый обман! Практически обнаружить наличие подложенной полумиллиметровой подкладки под один из концов полуметрового прибора можно только тогда, когда точно знаешь, что подкладка имеется. Мне же (для изготовления мозаичной плитки) понадобилась точность измерения не грубее, чем 0,1 мм/м (желательно 0,1 мм/м и ещё точнее). Такой показатель для выпускаемых к бытовому употреблению индикаторов горизонтальности – запределен!

ПРИМЕЧАНИЕ

Выше отмечено, что такие устройства, почему-то, обозначают термином «УРОВЕНЬ». В действительности же «уровень» - это «расстояние» от проверяемой точки до некоторой горизонтальной поверхности, принимаемой за исходную отсчётную базу. Приборы же, используемые для оценки горизонтальности, индицируют скорее наклон линии, соединяющий две сравниваемые между собой точки (относительно горизонта). Параметр «высота» одной точки над другой точкой может быть, при таком индицировании, вычислен по измеренному углу наклона, (если индикатор позволяет его измерить), и по базе измерения (по расстоянию между проверяемыми точками).

А ещё правильнее будет, если сказать, что такие приборы индицируют не столько наклон, сколько факт наличия отклонения от горизонтальности, поскольку абсолютное большинство таких, с позволения сказать, «уровней» даже и угла-то не в состоянии определить.

По этой причине в моих статьях подобные устройства в дальнейшем не будут обозначаться термином «уровень». Я для обозначения индикаторов горизонтальности ввожу в употребление термин «индигор».

На рисунке 1 показан принцип оценки проверяемой горизонтальности при помощи индигора.

Рис. 1

Индикаторный пузырёк изображён на рисунке голубым контуром. Слева и справа от пузырька предусмотрены риски-ориентиры (чёрный цвет).

ПРИМЕЧАНИЕ

Дорогой посетитель, если выбором масштаба экранного изображения Вы установите горизонтальный размер страницы равным 210мм (на моём компьютере это соответствует 134%), то размер индикатора на нижнем подрисунке будет отображаться в масштабе 1:1 (расстояние между внутренними рисками реального индикатора равно 13мм).

Проверяемая поверхность (отсутствующая на рисунке 1), как правило, установлена на опоры, при помощи которых можно управлять её горизонтальностью. Если опор нет, то их следует создать.

Изменением высоты опор можно добиться ситуации, когда расстояния от края пузырька до ближней к нему риски будут казаться одинаковыми, как слева (размер «Л»), так и справа (размер «П»). Считается, что при достижении такого расположения пузырька можно утверждать о достижении предельной горизонтальности на рабочей поверхности стола.

ПРИМЕЧАНИЕ

Специально для Вас, Дорогой Читатель, пузырёк на подрисунке 1 сознательно СМЕЩЁН мною относительно средней позиции. Попробуйте оценить в какую сторону и насколько. В процессе решения этой задачки Вы, безусловно, поймёте, что оценка достигнутой Вами горизонтальности при использовании такого измерительного прибора может быть только весьма условной.

У моего индигора (заводское изготовление) база равна 60см. Заявленная точность по углу – 0,057º. Заявленная точность по высоте - 1 мм/м.

Что означают эти цифры?

По всей видимости – погрешность.

Другими словами – если Вам кажется, что пузырёк находится на одинаковом расстоянии от боковых рисок, то изготовитель прибора обещает отклонение от горизонтальности не более 0,6мм на длине базы (60см). А отклонение от горизонтальности по углу (применительно к двум проверяемым точкам) – не более 0,057º.

Например, поддон, помещённый на стол, предварительно выставленный при помощи данного индигора, заливается какой-либо полимеризующейся смесью (к примеру – на основе эпоксидного клея). По окончании полимеризации появляется возможность реально измерить толщину полученной отливки в разных её точках (хотя бы штангенциркулем). Если разница толщин уложится в диапазон 0÷0,6мм, то всё в порядке! Изготовитель прибора не соврал. А вот, если такая разница не устраивает лично Вас, это уже Ваша проблема. Во всяком случае, меня это не устраивает однозначно!

Причём, на погрешность измерения не сказывается отклонение от плоскостности самой базовой (опорной) поверхности прибора. При переориентации прибора (смена положения его концов) необходимо концы его устанавливать на отмеченные точки стола. Так вот, если при переориентации прибора пузырёк показывает серединную позицию, то стол считается выставленным на горизонтальность предельно точно.

Таким образом, реальная погрешность результата оценки достигнутой горизонтальности определяется только самим индикатором (его чувствительностью к изменению горизонтальности проверяемой поверхности) и возможностью считывания показаний.

ПРИМЕЧАНИЕ

Если говорить серьёзно, то при определении отклонения от горизонтальности базовая длина прибора вообще ни при чём. Во всех, без исключения, случаях горизонтальность определяется только по ДВУМ точкам. Угловое отклонение при этом совершенно не зависит от расстояния между этими точками. Отклонение пузырька зависит ТОЛЬКО от углового показателя горизонтальности. Горизонтальность между двумя любыми другими точками на проверяемой поверхности может существенно отличаться от горизонтальности на проверенных точках.

Я полагаю, что, чем больше радиус изгиба колбы (радиус образующей для бочкообразной поверхности колбы), тем бόльшим должно быть отклонение пузырька от вершины при одинаковых реальных отклонениях (угловых) от горизонтальности. В пределе – пузырьковый канал вообще не должен иметь кривизну.

Рис. 2

W - сила, выталкивающая пузырёк

Р - составляющая компонента от выталкивающей силы, двигающая пузырёк к вершине

β - угловое отклонение от горизонтальности

δ - смещение пузырька в колбе

R - радиус кривизны образующей боковой поверхности колбы

Но, с другой стороны, чем меньше кривизна канала, тем больше на саму возможность перемещения пузырька к вершине сказывается влияние поверхностного натяжения жидкости, в которой плавает пузырёк, (рисунок 2).

Получается, что, чем меньше кривизна канала (чем больше радиус R), тем на большее расстояние (δ) от серединной позиции должен отклониться пузырёк (при одинаковых угловых отклонениях от горизонтальности), но тем меньшая сила (Р) заставляет пузырёк двигаться к вершине, снижая, тем самым, чувствительность индикатора. Одновременно с этим существует зависимость и от размера пузырька, поскольку, чем бόльший размер имеет пузырёк, тем бόльшим оказывается его объём и тем сильнее на него (на пузырёк) действует выталкивающая сила W («на тело, погружённое в жидкость…» и далее – по тексту закона). С этой точки зрения кажется выгодным увеличение объёма пузырька. Хотя, с другой стороны, при этом срабатывает и обратный фактор. А именно: чем больше пузырь, тем большей поверхностью он контактирует со стенкой колбы. А, значит, тем большее сопротивление препятствует его перемещению к центру. Это, опять же, снижает чувствительность индикатора. Так что ещё не известно, что будет выгоднее.

Многое зависит ещё и от свойств жидкости внутри колбы.

Мне не известна жидкость, используемая заводом. Я только могу предположить, что это – эфир. Ведь именно эфир обладает, насколько я знаю, наименьшим поверхностным натяжением. А, чем меньше поверхностное натяжение, тем выше чувствительность индикатора. Но с другой стороны – эфир обладает малой плотностью. Следовательно, и выталкивающая сила пузырька, от которой зависит сила для его смещения, тоже оказывается малой.

В любом случае, реальность вынуждает выполнять радиус изгиба пузырькового канала не слишком большим.

Если принять радиус изгиба не меньшим, чем база, заявленная в параметре «точность», (в нашем случае – это 1000мм), то при базе в 60см отклонение пузырька, обеспечивающее заявленную погрешность отклонения поверхности от её полной горизонтальности, должно составлять

мм

То есть, 0,001 от базы измерения.

Полученный результат означает, что отклонение пузырька от серединной позиции (позиция строгой горизонтальности) должна была бы приблизиться на 0,6мм к боковой риске у приподнятого конца прибора. Одновременно с этим пузырёк отодвинется от противоположной риски тоже на величину 0,6мм. При таком раскладе разница между «левым» и «правым» размерами составит уже 1,2мм. Такое смещение человеческий глаз, конечно же, должен был бы зафиксировать. Это слишком много, чтобы остаться малозаметным.

А тогда получается, что при реальной высотной погрешности 0,6мм пузырёк индикатора по каким-то внутренним причинам физически не производит смещения, заметного для глаз наблюдателя. Какие уж там 0,6мм! Я полагаю, что человек в состоянии заметить и меньшее смещение. Например, 0,25мм от среднего положения. Если бы такое смещение, как говорится, имело место быть!

Под лупой можно было бы, наверное, заметить и ещё меньшее смещение. Например, 0,12мм от середины. Это соответствовало бы максимальному высотному отклонению от горизонтальности на такую же величину (при базе 60см).

И всё бы ничего, но есть проблема!

Если «левый» и «правый» размеры сравнивать под лупой, то дополнительная погрешность оценки появляется из-за необходимости поочерёдного переноса лупы с одного размера на другой. Удерживать в памяти величину только что ранее рассмотренного расстояния для сравнения её с величиной расстояния, находящегося в данный момент времени под наблюдением, задачка не самая простая. Причина этому - слишком большая длина заводского пузырька. Пузырёк просто не умещается в поле зрения лупы.

Некоторого повышения точности считывания можно достичь, если на колбе заводского индигора дорисовать несмываемым фломастером дополнительную риску прямо через середину колбы (красная линия на рисунке 3).

Рис. 3

С дополнительной риской появляется возможность видеть у пузыря-индикатора оба его конца одновременно. В этом случае можно будет сравнивать уже не расстояния от краёв пузырька до ближних к ним рисок, а одинаковость расстояний от центральной риски до краёв пузырька. То есть, для повышения точности оценки необходимо, чтобы пузырь был виден полностью. (Боковые риски при этом уже почти не принимаются в расчёт).

Следующий шаг в повышении точности считывания показаний пузырькового индикатора – это резкое уменьшение размеров самого пузырька!

Если заводской индигор имеет пузырёк с длиной 10мм по его рабочему направлению (вдоль оси колбы), то самодельный прибор можно легко изготовить с продольным размером пузырька порядка 2мм.

Возможная схема индикатора горизонтальности домашнего изготовления показана на рисунке 4.

Рис. 4

1 - основание

2 - упор

3 - трубка с жидкость

4 - пузырёк

5 - выравниватель

Для основания выбран алюминиевый профиль (трубка прямоугольного сечения) длиной 1000мм.

Посередине одной из узких граней профиля нанесена поперечная риска (на рис.4 - не показана).

На риску постановлен упор, несущий на себе прозрачную трубку, заполненную жидкостью (я применил спирт, хотя лучше было бы использовать эфир). Концы трубки загерметизированы пробками (не показаны), вставленными так, чтобы диаметр пузырька не превышал 2мм. Пробки подобраны так, чтобы обеспечить максимальное уплотнение. Пробки дополнительно стянуты проволокой. Сама трубка является отрезком прозрачной трубки пульверизатора. Применение каких-либо клеёв не допускается, так как они растворяются спиртом.

На середину трубки нанесена фломастером поперечная риска (на рисунке 4 - не показана).

Изгиб трубки осуществляется при помощи винтовых прижимов. Этими же прижимами регулируется ориентация трубки (юстировка на максимальную горизонтальность).

Дополнительное уменьшение длины пузырька получается, если сжимать середину трубки по бокам (рисунок 5 – вид сверху). Объём пузырька при этом, как я полагаю, остаётся неизменным.

Рис. 5

На рисунке красным цветом отмечен пузырёк, голубым цветом – трубка. Пузырёк пересекается коричневой риской.

Юстировка производится следующим образом.

1. Собранный прибор ставится на испытуемую поверхность.

2. Запоминается отклонение пузырька от риски (направление и величина). Пусть, для примера, пузырёк находится правее риски.

3. Изменить ориентацию прибора.

4. Снова отметить отклонение пузырька относительно риски.

Здесь возможны варианты.

а) Пузырёк опять оказался справа от риски.

В этом случае полезно признать, что правый конец прибора приподнят относительно левого конца.

Под левый конец следует что-нибудь положить (например, бумажку), обеспечивающую возврат пузырька в серединную позицию.

Снова поменять ориентацию прибора. Повторять операции до тех, пока можно будет перейти к пункту «5».

б) Пузырёк оказался в серединной позиции (под риской) или левее риски.

В этом случае полезно признать, что неправильно ориентирована сама трубка. Отпустив чуть-чуть правый выравниватель и подтянув, соответственно, левый, добиваемся того, чтобы пузырёк сдвинулся вправо относительно риски на расстояние, примерно равное половине расстояния, бывшего до последней переориентации прибора. Снова произвести переориентацию прибора. Повторять операции до тех, пока можно будет перейти к пункту «5».

5. Производить названные процедуры до тех пор, пока положение пузырька будет казаться строго серединным независимо от ориентации самого прибора.

6. Повторить перечисленные выше операции, но уже с применением лупы.

В результате будет получен отъюстированный индикатор горизонтальности, обладающий повышенной разрешающей способностью.

ПРИМЕЧАНИЕ

Лично я тестировал свой прибор, пригласив в помощь жену. Её задачей было смотреть на пузырёк и по результатам наблюдения высказать своё мнение о сохранении или об отклонении горизонтальности. Жена при этом не имела возможности видеть мои манипуляции. Она не знала о том, подложил я под какой-нибудь конец бумажку или оставил прибор нетронутым. (Я мог, например, приподнять конец прибора и вернуть его в прежнее положение без подкладывания под него какой-либо ниточки-ленточки).

Проведённые испытания показали, что наблюдатель надёжно замечает подкладывание бумажки толщиной 0,1мм под любой конец прибора.


Просмотров: 5171

Комментарии к статье:


Ваще сообщение:
 

 

Добавить комментарий

[B] [I] [u] [S] [2] [2]       [TAB] [∑] [∓] [≈] [≠] [≤] [≥] [π] [×] [√]       [RED] [GRE] [BLU]

[α] [β] [Γ] [γ] [Σ] [σ] [Δ] [δ] [Ω] [ω] [μ] [Λ] [λ]