ระดับน้ำ

TPA news 1 5 Calibrationระดับน้ำและการสอบเทียบระดบั นำ้ Calibrationบทนำ งานทีต่ อ้ งใช้ความถกู ตอ้ งแมน่ ยำสูง เช่น การสอบเทียบโต๊ะระดบั (Surface Plate Calibration) ระดับนำ้ (Precision Level หรอื Spirit Level หรอื BubbleLevel) คือ อปุ กรณท์ ่ีใช้สำหรับการวดั ระดับความเอยี งของระนาบ โดยทั่วไประดับน้ำท่ีเราคุ้นเคยจะเป็นแบบที่มีของเหลวบรรจุใน หลอดแกว้ โดยทั่วไปของเหลวที่ถูกเลือกมาใช้บรรจุในหลอดแก้วมัก จะเป็นเอธานอล เน่ืองจากมีจุดเยือกแข็งต่ำ คือ ประมาณ -114˚ C เพ่ือป้องกันการแข็งตัวของของเหลวที่บรรจุอยู่ภายในจึงมีการออกแบบให้เหลือที่ว่างให้สำหรับฟองอากาศเพ่ือเป็นตัวอ่านค่า ในปัจจุบันได้มีการประดิษฐ์ระดับน้ำแบบอิเล็กทรอนิคส์เพื่อใช้งานท่ีมีความสะดวกมากข้ึน อีกท้ังสามารถใช้งานในพิสัยการวัด รูปท่ี 2 การใชง้ านระดบั น้ำ ท่ีกว้างกว่ามีความถูกต้องและเท่ียงตรงสูงกว่า อย่างไรก็ตาม ระดับแบบหลอดแก้วกย็ ังเป็นที่นิยมใชก้ ันอยู่ เนื่องจากใชง้ านงา่ ยและราคาค่อนขา้ งถกู เมอื่ เทยี บกับระดับน้ำแบบอิเล็กทรอนิกส์ หลักการทำงาน สามารถแบ่งประเภทของระดับน้ำได้ง่ายๆ จากลักษณะ รปู ท่ี 1 ระดับนำ้ แบบตา่ งๆ การทำงานเปน็ สองแบบ คอื แบบเชิงกลและแบบอเิ ลก็ ทรอนิกส์ ประวัติความเป็นมา ระดับน้ำถูกประดิษฐ์ขึ้นครั้งแรกโดย Melchisedech Thevenot ชาวฝร่ังเศส (ค.ศ.1620-1692) แต่ในยุคสมัยดังกล่าว ระดับน้ำที่เขาประดิษฐ์ขึ้นไม่เป็นที่นิยมใช้กันนัก จนกระท่ังศตวรรษท่ี 18 จึงมกี ารนำกลับมาใชอ้ กี และถูกดดั แปลงจนกระทัง่ รูปที่ 3 ระดบั นำ้ แบบเชงิ กลเปน็ แบบปจั จบุ ัน หลักการทำงาน คือ การเคลื่อนท่ีของฟองอากาศภายใน หลอดแก้วจะเคลื่อนท่ีไปสู่ตำแหน่งสูงสุด เนื่องจากแรงโน้มถ่วงการใชง้ าน ของโลกกระทำกับของเหลวที่อยู่ภายในหลอดแก้ว ดังนั้น มุมท่ี เกิดจากการเอียงของระดับน้ำสามารถหาได้จากระยะการ ระดับน้ำถูกนำมาใช้งานหลายๆ ด้านเช่น การก่อสร้าง เคล่อื นท่ขี องฟองอากาศอาคาร ทำถนน การสำรวจ ก่ออฐิ การติดตงั้ เครอื่ งจกั ร ตลอดจน รูปท่ี 4 หลกั การของระดับนำ้ แบบเชงิ กล May 2010 ● No. 161

16 TPA news Calibrationจากรูปจะเห็นได้ว่าขีดช่องสเกลของหลอดแก้วโค้งท่ีใช้ทำ ระดับน้ำจะถกู สรา้ งให้เป็นไปตามสมการ มมุ ของระดบั น้ำ = ความกวา้ งของชอ่ งขดี ⎯⎯ร⎯ัศม⎯คี ว⎯าม⎯โค⎯้ง⎯⎯ ยกตัวอย่างเช่น ถ้าเราต้องการสร้างระดับน้ำท่ีมีความละเอียด 0.02 mm/m หรือประมาณ 0.001146˚ โดยตอ้ งการให้แต่ละขีดมี รปู ท่ี 7 กลไกการเปล่ยี นสญั ญาณทางไฟฟ้าแบบ Capacitance Pendulumความกว้าง 2 mm เราจะได้ว่าหลอดแก้วจะต้องมีรัศมีความโค้งเปน็ ไปตามสมการ หลักการทำงานคือแผ่นลูกตุ้มถูกแขวนอยู่ระหว่างข้ัว รัศมคี วามโค้ง ι = ความกว้างของชอ่ งขดี ไฟฟ้าสองข้างเม่ือเอียงตัวรับสัญญาณ แผ่นลูกตุ้มก็จะเอียงออก R= จากตำแหน่งศูนย์อ้างอิง (Zero Position) ตามแรงโน้มถ่วงของ θ = มมุ โลก ทำให้ค่าความจุทางไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้าไม่เท่ากัน เป็นผล ให้ความถี่ที่ส่งไปยังตัวรับคือ RC-ออสซิเลเตอร์ไม่เท่ากันรัศมีความโคง้ = ความกว้างของช่องขดี = ⎯Si⎯n2(⎯0m.⎯0m0⎯11⎯46⎯)ํ ≈ 105 mm อัตราส่วนของความถ่ีที่ต่างกันน้ีก็คือสัญญาณทางไฟฟ้าท่ีจะถูก ⎯⎯⎯S⎯in⎯θ⎯⎯⎯⎯ แปลงค่าเป็นมุมอีกที่หน่ึง ภายในตัวรับสัญญาณจะถูกบรรจุด้วย ไนโตรเจนเหลวเพื่อป้องกันอิทธิพลจากความช้ืนภายนอกและยัง ≈ 100 mm ช่วยลดสญั ญาณรบกวนอกี ด้วย ในกระบวนการสอบเทียบตัวรับสัญญาณน้ันจะใช้วิธีการแต่ในกระบวนการผลิตน้ัน การทำหลอดแก้วให้ได้รัศมี ทางคณิตศาสตร์ ซ่ึงเป็นการหาค่าแบบการประมาณค่าในช่วงความโค้ง ตามตัวอย่างการคำนวณนั้นทำได้ค่อนข้างยาก จึงควร (Interpolation) แบบหน่ึง ค่าท่ีได้นั้นอาจมีการชดเชยทางอิเล็ก-ใช้หลักเกณฑ์ว่าหลอดแก้วที่มีรัศมีความโค้งตามหลักการคำนวณ ทรอนิกส์แล้วถูกบันทึกข้อมูลลงไปในตัวรับสัญญาณ นอกจากน้ีจะมคี วามถูกต้องสงู กวา่ การเปลี่ยนแปลงทางอุณหภูมิก็ต้องถูกนำมาคำนวณเพื่อชดเชย ค่าทไ่ี ด้จากตวั รบั สัญญาณดว้ ย รูปท่ี 5 เปรยี บเทียบความโค้งระดบั นำ้ แบบเชิงกล การสอบเทียบระดับน้ำ มหี ลายวธิ ีท่ีจะสอบเทยี บระดบั น้ำ แตโ่ ดยหลกั การแลว้ จะ คล้ายๆ กัน กล่าวคือ ใช้อุปกรณ์ที่สามารถปรับระดับความเอียงระดับนำ้ แบบอเิ ล็กทรอนิกส์ ได้ เช่น เครื่องสร้างมุมแบบละเอียด หรือคานยกระดับและมี เคร่ืองมือมาตรฐาน เช่น ระดับน้ำแบบอิเล็กทรอนิกส์ หรือ ในปัจจุบันมีการประดิษฐ์ระดับน้ำแบบอิเล็กทรอนิกส์ข้ึน กล้องวัดมุมแบบรวมแสงอัตโนมัติ ที่ใช้เปรียบเทียบค่ากับระดับมาหลายแบบ แต่ละแบบอาจมีวิธีการต่างกันไปตามวิธีการของผู้ นำ้ วิธกี ารสอบเทียบ คอื ตั้งระดับน้ำและเครื่องมาตรฐานท่รี ะดับผลิต โดยมลี ักษณะรว่ มกนั คอื ใชต้ วั รับสัญญาณท่ีสามารถแปลง อ้างอิง (Reference Position) แล้วเริ่มปรับระดับความเอียงโดยสัญญาณที่เกิดจากการเอียงของเครื่องมือเป็นสัญญาณทาง หมุนหัวปรับเคร่ืองสร้างมุมแบบละเอียด หรือคานยกระดับไปไฟฟ้า ในท่ีน้ีจะขอยกมาเพียงหนึ่งตัวอย่างซึ่งเป็นแบบท่ีสถาบัน ตามตำแหน่งท่ีต้องการสอบเทียบ บันทึกค่าระดับน้ำและเครื่องมาตรวิทยาแห่งชาตใิ ช้อยู่ มาตรฐาน ที่มา: จากวารสาร Metrology Info ปีท่ี 11 ฉบับท่ี 51 สถาบนั มาตรวิทยาแห่งชาติ อา่ น ต่อฉบบั หนา้ รูปท่ี 6 ตวั อย่างตวั รับสญั ญาณและกลไกการเปลี่ยนสัญญาณทางไฟฟ้าแบบหนึ่งNo. 161 ● May 2010