Уровни служат для приведения осей прибора в вертикальное или горизонтальное положение и для измерения малых углов наклона. Применение уровней основано на свойстве пузырька газа занимать в жидкости наивысшее положение. Уровни бывают цилиндрические и круглые.
Цилиндрический уровень состоит из чувствительного элемента – ампулы и металлической оправы для ее крепления и защиты от внешних воздействий. Ампула цилиндрического уровня – это стеклянная трубка, запаянная с обоих концов и заполненная спиртом или серным эфиром; небольшое пространство занимают пары этой жидкости, оно называется пузырьком уровня.
Ампула имеет форму дуги большого радиуса; касательная к дуге в середине пузырька всегда горизонтальна, так как выталкивающая сила, действующая на пузырек, направлена по вертикальной линии (пузырек принимает форму дуги окружности, выталкивающая сила на правлена по радиусу дуги, касательная перпендикулярна радиусу). На ампуле нанесены деления, на точных уровнях деления подписаны.
Ценой деления уровня t называется центральный угол, соответствующий дуге в одно деление шкалы на ампуле. Точка O в середине шкалы называется нульпунктом уровня, а касательная, проведенная в нульпункте, называется осью цилиндрического уровня U-U (рис.3. 12). Если пузырек находится в нульпункте, то ось уровня занимает горизонтальное положение. Если пузырек уровня находится не в нульпункте, то ось уровня занимает наклонное положение. Чтобы приводить какую-либо линию или плоскость в горизонтальное положение, нужно закрепить уровень так, чтобы ось уровня была строго параллельной искомой линии или плоскости. Чтобы приводить линию или плоскость в вертикальное положение, нужно закрепить уровень так, чтобы ось уровня была строго перпендикулярна искомой линии или плоскости. Без выполнения этих условий применение уровня не имеет смысла.
Рис.3.12
Если же условия выполняются, то при положении пузырька уровня в нульпункте ось уровня займет горизонтальное положение, а искомая линия или плоскость – горизонтальное положение в первом случае и вертикальное положение во втором случае.
Внутренняя поверхность ампулы имеет форму, получающуюся при вращении дуги AB радиуса R вокруг хорды AB (рис.3.12). Радиус дуги R вычисляют по расчетной цене деления τ. Обозначив через l длину одного деления шкалы на ампуле, напишем формулу для длины дуги в функции центрального угла:
откуда
(3.14)
При τ = 10″, l = 2 мм и ρ = 206265″ получим R = 41 м.
При наклоне уровня на угол ε пузырек отклонится от нульпункта на n деления, то-есть,
ε = n * τ . (3.15)
Отсюда следует второе определение цены деления уровня: цена деления уровня – это угол, на который наклонится ось уровня при смещении пузырька на одно деление шкалы.
Определение цены деления уровня по рейке. Из формулы (3.15) следует, что:
τ = ε / n,
т.е. для определения цены деления нужно знать угол ε и сосчитать число делений, на которое сместится пузырек (рис.3.13).
Угол наклона ε можно определить разными методами, например, с помощью рейки. Наведем трубу на рейку и возьмем отсчеты: по рейке – b1 и по уровню.
Рис.3.13
Затем немного наклоним трубу и снова возьмем отсчеты: по рейке – b2 и по уровню. Угол наклона ε вычисляется по формуле:
где S – расстояние от нивелира до рейке.
Число делений уровня n, на которое переместился пузырек, подсчитывают по разности отсчетов по уровню при первом и втором наведениях на рейку.
Более точное определение цены деления уровня производят на специальном устройстве – экзаменаторе; при этом одновременно выполняют исследование качества шлифовки внутренней поверхности ампулы уровня.
По конструкции цилиндрические уровни бывают простыми, компенсированными и камерными.
У простых уровней ампула заполнена жидкостью и имеет один пузырек.
У компенсированных уровней внутри ампулы помещена стеклянная трубка с запаянными концами. При изменении температуры объемы жидкости и пузырька газа изменяются неодинаково вследствие разных коэффициентов расширения. Это приводит к тому, что при понижении температуры пузырек удлиняется, при повышении – укорачивается. Наличие стеклянной трубки в ампуле уменьшает объем жидкости, и поэтому влияние изменения температуры на длину пузырька ослабляется.
У камерных уровней внутри ампулы есть перегородка с отверстием внизу, которая делит ампулу на две камеры – основную и запасную. Запасная камера намного меньше по объему, и в ней помещается запасной пузырек. При изменении длины основного пузырька наклоняют уровень и либо убирают часть пузырька в запасную камеру, либо добавляют некоторое количество газа из запасной камеры. Согласно Инструкции [18] длина пузырька должна составлять 0.4 – 0.5 длины шкалы на ампуле.
По точности уровни бывают малой точности (τ > 1′), средней точности (5″ < τ < 1′) и высокой точности (τ < 5″). Цилиндрические уровни имеют цену деления меньше 1′.
Круглый уровень – это часть стеклянной сферы, на которую нанесены концентрические окружности. Центр окружностей является нульпунктом круглого уровня. Осью круглого уровня называется нормаль к сферической поверхности ампулы, проведенная в нульпункте. Если пузырек уровня находится в нульпункте, то его ось занимает вертикальное (отвесное) положение. Круглые уровни относятся к уровням малой точности.
Поверка установки цилиндрического уровня. Пусть цилиндрический уровень предназначен для приведения в вертикальной положение оси вращения геодезического прибора; тогда условие их взаимного положения читается так: ось уровня должна быть перпендикулярна оси вращения прибора.Теоретическое положение оси уровня и оси вращения прибора изображено на рис.3.14; на нем UU1 – ось уровня, ZZ1 – ось вращения прибора, она вертикальна и составляет с осью уровня угол 90; пузырек уровня находится в нульпункте. При повороте прибора вокруг своей оси ось уровня описывает в пространстве горизонтальную плоскость, и после поворота прибора на 180 пузырек остается в нульпункте.
Рис.3.14
Пусть угол между осью уровня и осью вращения прибора равен не точно 90, а (90 – i) (рис.3.15). Если установить прибор так, чтобы пузырек уровня был в нульпункте, то ось уровня займет горизонтальное положение, а ось вращения прибора будет наклонена на угол i относительно своего правильного положения. Задача поверки – найти угол i и устранить его.
Повернем прибор на 180 (рис.3.16). Ось уровня опишет коническую поверхность с углом при вершине конуса 180-2i и займет не горизонтальное положение, а наклонится относительно горизонта на угол 2i; пузырек отклонится от нульпункта на n делений, следовательно,
2 * i = n * τ ,
откуда 
Рис.3.15 Рис.3.16
Чтобы условие выполнялось, нужно, во-первых, изменить угол между осью уровня и осью вращения прибора на величину i и, во-вторых, наклонить прибор также на угол i. Практически поступают так: сначала подъемными винтами наклоняют прибор на угол i; при этом пузырек должен приблизиться к нульпункту на половину отклонения. Затем, пользуясь исправительными винтами уровня, изменяют положение ампулы в корпусе прибора; при этом пузырек должен установиться точно в нульпункте. Таким образом, последовательность действий при поверке установки уровня следующая:
- Вращая прибор, установить уровень параллельно двум подъемным винтам.
- Этими подъемными винтами привести пузырек уровня в нульпункт.
- Повернуть прибор точно на 180.
- Сосчитать количество делений n отклонения пузырька уровня от нульпункта.
- Подъемными винтами сместить пузырек обратно на n/2 делений.
- Исправительными винтами уровня привести пузырек в нульпункт.
Если угол i большой, то после поворота прибора на 180 пузырек уходит за пределы шкалы, и количество делений n сосчитать нельзя. В этом случае отклонение пузырька от нульпункта можно измерить в более крупных единицах, например, в оборотах подъемных винтов, и исправлять уровень способом последовательных приближений.
Существуют и другие способы исправления уровня; один из них – способ Г.Лысова – позволяет исправить сильно разъюстированный уровень за одно приближение.
Последовательность операций в способе Г.Лысова.
1. Умеренно вывернуть (или завернуть) любой из подъемных винтов, чтобы наклон прибора был заметен глазом (i> 1o).
2. Плавно вращая прибор, зафиксировать такое его положение, при котором пузырек уровня находится точно в нульпункте; взять отсчет по горизонтальному лимбу N1.
3. Плавно вращая прибор, зафиксировать второе его положение, при котором пузырек уровня также находится точно в нульпункте; взять отсчет по горизонтальному лимбу N2.
4. Вычислить отсчет N = 0.5 (N1 + N2) + 90 и, плавно вращая прибор, установить его на горизонтальном лимбе.
5. Исправительными винтами уровня привести пузырек в нульпункт.
