7.8 Уровни

    В традиционных уровнях с ампулой и пузырьком воздуха  или электронных уровнях с маятником (отвесом) используют естественную базу – силу тяжести (или центр Земли). Эта база  стабильна и надежна. Под действием силы тяжести жидкость в ампуле или маятник принимают строго горизонтальное или строго вертикальное положение.

Приборы, имеющие такую идеальную базу, позволяют проводить высокоточные измерения в машиностроении. Уровни служат для измерения малых угловых отклонений от го­ризонтальной плоскости. Наиболее распространены в промышлен­ности жидкостные (спиртовые) уровни. Они относятся к гониометрическим приборам, так как имеют угломерную шкалу, нанесенную по дуге окружно­сти ампулы. Чувствительным элементом уровней является ампула, представляющая собой запаянную цилиндрическую стеклянную трубку, наполненную жидкостью с остав­лением небольшого пузырька воздуха. Внутренняя поверхность ампулы шли­фуется по радиусу. На наружной верхней поверхности ампулы наносится шкала с интервалом делений, равным 2 мм.

Дей­ствие ампулы основано на том, что при ее наклоне уровень жидкости в ампуле всегда располагается горизонтально и пузырек воздуха перемещается в наивыс­шую часть ампулы. Отсчет по шкале про­изводится по краю пузырьков воздуха. При наклоне ампулы на угол φ (рис. 7.8.1) наивысшая точка ампулы перемещается из точки А в точку В, вызывая соответ­ствующее перемещение пузырька воздуха. Зависимость между углом φ наклона ампулы, радиусом R кривизны внутренней по­верхности ампулы в продольном направлении и перемещением L пузырька определяется формулой ампула

 Рис. 7.8.1   Схема уровня

          φ = L/R,      φ”= 296265 L/R

где φ – угол в рад, а φ”– в с.

Цена деления с” ампулы в с (секундах) при стандартном интервале деления 2 мм будет равна
             с” = 2 φ”/L =  412 530/R  c.
       Для того чтобы при наклоне уровня на угол 1″ пузырек воз­духа переместился на одно деление (т.е. на 2 мм), радиус кри­визны внутренней поверхности  ампулы   должен   быть   равен 412 530 мм.

       Цена деления су уровня, т.е. наклон уровня, вызывающего перемещение пузырька воздуха на одно деление шкалы, выра­жается в мм/м и определяется по формуле

су = 2000/R = 0,005с” мм/м.

В уровнях, применяемых в машиностроении, используются  цилиндрические простые ампулы, которые   выпус­каются с ценой деления от 10″ до 6′. Диаметр ампул этого типа колеблется в пределах от 7,5 до 14 мм, а длина от 23 до 84 мм. Шкалы ампул, предназначенных к установке в уровнях для машиностроения должны иметь два нуле­вых штриха, расположенных на расстоянии, равном длине пу­зырька, и не менее, чем по восьми делений в каждую сторону. Ампулы изготавливают из стекла. Наполнителем для ампул высокой и средней точности является эфир этиловый  или его смесь с этиловым  спиртом.

После изготовления ампулы подвергаются старению.

Поверку ампул производят на экзаменаторах (раздел 7.9).

Отклонения цены деления на различных участках шкалы ам­пулы не должны превышать ±(15-20)% среднего значения. По­рог чувствительности ампулы, определяемый минимальным уг­лом наклона ампулы, при котором перемещение пузырька ста­новится заметным при наблюдении невооруженным глазом, не должен превышать 15% цены деления (порог чувствительности ампулы зависит от цены деления, качества шлифования внут­ренней поверхности, длины пузырька, температуры и свойств наполнителей).

Брусковый уровень (рис. 7.8.2) служит для контроля горизон­тального расположения плоских и цилиндрических поверхностей. Корпус  брускового уровня на нижней рабочей поверхности имеет призматическую выемку для установки на цилиндриче­ские поверхности. Ампула  установлена на одноплечем рычаге, подвешенном в корпусе уровня на плоской пружине.  На другом конце рычага  имеется  регулировочный винт, ко­торый при сборке позволяет установить параллельность ампулы ос­нованию. Еще одна небольшая ампула  расположена в поперечном отверстии корпуса и залита затвердевающим соста­вом. Эта ампула служит для контроля правильности установки уровня на цилиндрических поверхностях. Цена деления попе­речной ампулы составляет  3′ – 6′ .

Кроме уровней в регулируемым положением ампулы, выпускают также уровни с нерегулируемым положением ампулы, которая  залита медленно затвердевающим соста­вом прямо в корпусе.  При сборке, пока состав затвердевает, ампулу выставляют в горизонтальное положение.

  Рис. 7.8.2   Брусковый уровень

Рамный уровень  (рис. 7.8.3) имеет аналогичное устройство и отличается от брускового формой корпуса, который имеет четы­ре взаимно перпендикулярные рабочие поверхности. Нижняя, верхняя и одна из боковых рабочих поверхностей имеют приз­матические выемки для установки на цилиндрических поверх­ностях.

Рамный уровень позволяет контролировать как горизонталь­ное, так и вертикальное расположение поверхностей.
     Брусковые и рамные уровни  имеют  цену де­ления основной ампулы от 0,02 до 0,3 мм/м и с длиной L рабочей по­верхности 100, 150, 200,  250 и 300  мм. Корпус уровней изготавливается из серого чугуна или стали. Цены деления уровней заданы в миллиметр на метр (мм/м), когда вертикальные отклонения измеряются в миллимет­рах, а заданная длина в метрах (0,1 мм/м соответствует 20″). В этих единицах цены делений уровней равны 0,02; 0,05; 0,10,  0,15 и 0,3 мм/м. Диапазон измерений по шкале ампулы при длине пу­зырька, соответствующей температуре 20°С, равен ±10 делений для цен деления 0,02; 0,05 и 0,1 мм/м и ±5 делений при цене де­ления 0,15 мм/м. При увеличении температуры длина пузырька уменьшается, а при уменьшении – увеличивается, в первом слу­чае диапазон измерений возрастает, во втором — уменьшается.
рамный
Рис. 7.8.3   Рамный уровень
Допускаемое отклонение положения пузырька ампулы от его среднего положения при установке уровня на гори­зонтальную плоскость или цилиндр (нуль-пункт уровня) состав­ляет 1/4 деления для брусковых и рамных уровней с любой ценой деления. При повороте уровня вокруг оси горизонтального ци­линдра в поперечном направлении на ±5° пузырек ампулы не дол­жен выходить за указанные пределы.
          Для рамных уровней, кроме того, нормируется положение пузырька при базировании уровня по боковым и верхним рабочим поверхностям, допускаемое откло­нение в этом случае составляет 1/2 деления. На погрешность измерений с помощью уровней оказывают влияние характер контактирования уровня с измеряемой поверх­ностью, погрешность отсчета, время успокоения пузырька ампулы и температурные деформации.     Разумеется, указанные фак­торы сказываются, главным образом, при измерениях более точ­ными уровнями. Так, для уровня с ценой деления 0,02 мм/м с длиной рабочей поверхности 200 мм погрешность в 1/4 деления возникнет от погрешности контакта в 1 мкм (например, от попа­дания пылинок таких размеров). Поэтому в процессе измерения необходимо особо следить за чистотой измеряемой и рабочих поверхностей уровня. Для уменьшения этой погрешности (а также других указанных ранее погрешностей) целесообразно производить несколько измерений, принимая за результат измере­ния их среднее значение. Cчитывание показаний следует произ­водить по двум концам пузырька ампулы, что позволит уменьшить погрешности отсчета, погрешности от изменения длины пу­зырька из-за изменения температуры и погрешности, зависящие от порога чувствительности ампулы. Cчитывание показаний сле­дует производить не сразу после установки уровня на поверхно­сти, а после определенной выдержки, чтобы пузырек ампулы ус­покоился, а также выровнялась температура уровня, так как при переносе его рукой происходят температурные деформации корпу­са и ампулы. Например, при нахождении в руках в течение 10 с уровней с ценой деления 0,02 мм/м время выдержки составляет 3 мин, при более длительном переносе уровня руками потребуется большая выдержка.

     При измерениях уровнем положения цилиндрических поверхностей нет необходимости устанавливать уровень в поперечном направлении по показаниям установочной ампулы, достаточно установить его на глаз.

    В процессе эксплуатации из-за износа рабочих поверхностей или смещения положения ампулы возможно изменение нулевого положения пузырька ампулы. Восстановление нуль-пункта у уров­ней с ценой деления 0,15 мм/м, у которых ампула жеcтко соеди­нена с корпусом уровня, производится обработкой рабочих поверх­ностей уровня, а у уровней с ценами деления 0,02; 0,05 и 0,10 мм/м — регулировкой специального узла уровней, обеспечи­вающего выставление положения ампулы относительно рабочих поверхностей (отметим, что это юстировочная операция, а не на­стройка в процессе измерения).

     Следует отметить, что при эксплуатации уровней не всегда необходимо производить восстановление нуль-пункта, даже если он отклоняется сверх установленных норм. Погрешность, связанная с отклонением нуль-пункта, может быть исключена применением специальной методики измерения. Если производить измерения при двух положениях уровня (повернутых друг относительно дру­га на 180°), то среднее значение результатов измерения не будет зависеть от погрешностей нулевого положения пузырька ампулы.

     При использовании уровней для измерения отклонений от прямо­линейности или плоскостности  обработка результа­тов измерения также исключает погрешность нулевого положе­ния пузырька ампулы. В ряде приборов ампула применяется не для измерения отклонений углов, а для определения горизонтального положения узла при­бора, в который она встроена. Показания отсчитывают по шкалам других устройств прибора при горизонтальном положении ампулы.

     Описанные  уровни имеют малые диапазоны измерения уклона, ограниченные шкалой на ампуле. Для измерения больших укло­нов применяются микрометрические  и электронные уровни. Сочетание ампулы с микрометрическим устройством применено в уровнях с микрометрической подачей ампулы (рис. 7.8.4). микрометр

Рис. 7.8.4   Микрометрический уровень

Механизм уровня смонтирован на основании. Основание имеет плоские и призматические ра­бочие поверхности. Ампула  уровня установлена на рычаге, подвешенном на шарнире из плоских пружин. Наклон рычага с  ам­пулой по отношению к рабочим поверхностям уровня произво­дится микровинтом. Диапазон измере­ний таких уровней во много раз превышает диапазон измерений по шкале ампулы. Микрометрические уровни имеют  цену деления 0,01  и  0,1 мм/м. Диапа­зон измерений уровня от ±10 мм/м до ±30 мм/м. Предел допускаемой погрешно­сти равен ±0,1 мм/м. Кроме указанных погрешностей на погрешность измерения с помощью микрометрических уровней влияют те же факторы, что и на брусковые и рамные уровни. В микрометрических уровнях более существенно проявляется погрешность от наклона уровня в поперечном направлении.

Еще больший диапазон измерений и большую точность имеют электронные уровни (рис. 7.8.5). Выпускают несколько моделей электронных уровней с аналогичным принципом действия.

Рис. 7.8.5    Электронный уровень

Это универсальный прибор, имеющий диапазон измерений до ±45о и цифровой отсчет измеряемого угла или наклона. Причем отсчет может быть как в градусах, минутах, секундах, так и в мм/м. Дискретность отсчета составляет 2״

В качестве измерителя в электронных уровнях  используют маятник (отвес) и емкостной или индуктивный инкрементный преобразователь, что и обеспечивает большой диапазон измерения и цифровой отсчет.

Прибор выпускается согласно международному стандарту DIN 2276 часть 2 1986, «Системы измерений наклона. Уклономеры электронные. Формы,технические требования».