Wszyscy chyba znają poziomice elektroniczne. każdy się umie nimi posługiwać, bo to proste narzędzie. Ale czy zastanawialiście się kiedyś, jak ono działa i dlaczego w instrukcji obsługi każdego modelu producent zaleca systematyczne kalibrowanie urządzenia?

Troszkę fizyki ze szkoły podstawowej

Obiecuję, będzie krótko. Ale ten wstęp jest nam potrzebny, żeby zrozumieć zasadę działania poziomic elektronicznych, poznać wynikające z tego ograniczenia w zastosowaniach i być świadomym, kiedy i po co należy wykonywać kalibrację.

Isaac Newton już w XVII w. stwierdził, że wszystkie obiekty posiadające masę oddziałują na siebie wzajemnie, przyciągając się. Nasza planeta – o ogromnej masie – przyciąga więc wszystko w jej pobliżu. Każde ciało znajdujące się więc na powierzchni Ziemi poddawane jest działaniu siły grawitacyjnej. Z grawitacją ściśle związane jest pojęcie przyspieszenia ziemskiego oznaczanegoliterą g, które definiuje przyspieszenie ciał swobodnie (bez oporów) spadających na Ziemię. Przyspieszenie jest wielkością wektorową, ma więc oprócz wartości także kierunek i zwrot. W szczególnym przypadku przyspieszenia ziemskiego kierunek i zwrot to środek Ziemi (masy przyciągającej).

A co ma z tym wspólnego poziomica elektroniczna?

Okazuje się, że większość poziomic elektronicznych jako sensory wykorzystuje akcelerometry. Akcelerometr to czujnik badający przyspieszenie. W poziomicy elektronicznej akcelerometr mierzy  statyczne przyspieszenie ziemskie. W poziomicach stosuje się czujniki jednoosiowe, dlatego instrumenty mierzą składową siły

ciężkości równoległą do płaszczyzny obudowy czujnika w jednej osi. Mierząc wartość tej składowej i porównując do przyspieszenia ziemskiego można określić kąt, pod jakim znajduje się czujnik.

Na filmie poniżej zobaczycie, że poziomica Geofennel S-Digit mini wyznacza odchylenia tylko w jednej płaszczyźnie.

Wartości przyspieszenia ziemskiego mierzone są przeważnie za pomocą przetworników pojemnościowych. Głównym elementem takich czujników jest tzw. masa bezwładna zamocowana na sprężystych belkach, która stanowi elektrodę w układzie kondensatora pomiarowego. W wyniku przemieszczenia masy zmienia się pojemność i tym samym napięcie wyjściowe, które jest dalej przetwarzane w przypadku poziomicy elektronicznej na konkretne wartości kątów odchylenia instrumentu od linii pionu (kierunku wektora przyspieszenia ziemskiego).

Krótkie nagranie potwierdza, że w poziomicy elektronicznej czujnikiem odpowiedzialnym za pomiar kątów jest w rzeczywistości akcelerometr.

Potrzebna kalibracja

Wiemy już, że poziomica mierzy wartość przyspieszenia ziemskiego. Okazuje się jednak, że nie jest ono na całej powierzchni Ziemi identyczny. Zależy od szerokości geograficznej, wysokości nad poziomem morza i jest także niejednolite ze względu na elipsoidalny kształt naszej planety, nierównomierny rozkład mas (rzeźba terenu i gęstość skał), a nawet zniekształcone przez oddziaływanie Słońca i Księżyca.

Jaki z tego wniosek? Jeśli np. nasza poziomice elektroniczna została wyprodukowana w Chinach i skalibrowana w czasie pełni Księżyca w fabryce znajdującej się na szerokości geograficznej 31° N i dodatkowo leżącej na dużej wysokości w otoczeniu górotworów, to po przywiezieniu jej do Polski pomiary nią nad Bałtykiem podczas pierwszej kwadry Księżyca bez wcześniejszej kalibracji dadzą całkowicie błędne wyniki!

Podczas kalibracji poziomicy dajemy więc akcelerometrowi szansę na wyznaczenie położenia bezwładnej masy w układzie kondensatora, w którym sensor będzie wskazywał rzeczywistą wartość przyspieszenia ziemskiego 1g. Tylko wtedy mamy gwarancję, że wskazania instrumentu będą poprawne.

Kiedy kalibrować poziomicę elektroniczną:

• zawsze przed wykonywaniem ważnych pomiarów
• zawsze po upadku
• zawsze, gdy zmieniamy środowisko pracy (zmiany rzeczywistej wartości przyspieszenia ziemskiego)
• systematycznie, gdy realizujemy pomiary w tym samym miejscu (np. w firmowym warsztacie)

Szybko i łatwo

Procedura kalibracji jest dla większości poziomic elektronicznych banalna. I, oprócz sekwencji wciskanych klawiszy, dla wszystkich modeli przebiega identycznie.

Ważne w tym jest to, że kalibracji nie trzeba przeprowadzać na idealnie poziomym lub pionowym obiekcie. Obracanie instrumentu o 180° pozwala czujnikowi uśrednić położenie bezwładnej masy w akcelerometrze do pozycji, w której przyspieszenie ziemskie wynosi 1g.

Poniżej przykład kalibracji poziomicy elektronicznej Bosch DNM 120 L.