ระดับน้ำคืออะไร? ประวัติ ประเภท และหลักการทำงาน

ระดับน้ำคือเครื่องมือที่ใช้ฟองอากาศเล็ก ๆ ในหลอดแก้วปิดสนิทที่บรรจุของเหลว เพื่อบอกว่าพื้นผิวอยู่ในแนวนอน (ได้ระดับ) หรือแนวดิ่ง (ได้ดิ่ง). บนพื้นผิวที่ได้ระดับ แรงโน้มถ่วงจะดันฟองให้อยู่ตรงกลางระหว่างขีดสองเส้นบนหลอด. คำว่า "สปิริต" ในชื่อภาษาอังกฤษหมายถึงแอลกอฮอล์ที่ใช้เป็นของเหลว ไม่ได้เกี่ยวกับเรื่องเหนือธรรมชาติแต่อย่างใด.

ประเด็นสำคัญ

• ระดับน้ำถูกประดิษฐ์ขึ้นโดย Melchisédech Thévenot นักเขียนชาวฝรั่งเศส ในช่วงคริสต์ทศวรรษ 1660.
• ฟองอากาศลอยขึ้นไปอยู่ด้านบนของหลอดที่โค้ง เพราะอากาศเบากว่าของเหลวรอบ ๆ. บนพื้นผิวที่ได้ระดับ จุดสูงสุดของเส้นโค้งคือจุดกึ่งกลาง.
• ระดับน้ำงานก่อสร้างที่ดีอ่านค่าได้ระดับที่ประมาณ 0.5 มิลลิเมตรต่อเมตร หรือราว ๆ 0.03°.
• เครื่องวัดความเร่งในโทรศัพท์ที่สอบเทียบแล้วอ่านค่าได้ในราว 0.1° ถึง 0.3° ใกล้เคียงกับระดับน้ำมืออาชีพระดับกลาง.
• ของเหลวมักเป็นเอทานอลหรือไอโซเอมิลอะซิเตต ย้อมสีเหลืองอมเขียวเพื่อให้เห็นฟองได้ง่าย.

ประวัติย่อของระดับน้ำ

Melchisédech Thévenot ประดิษฐ์ระดับน้ำขึ้นในช่วงคริสต์ทศวรรษ 1660. เขาเป็นนักเขียนและนักสะสมหนังสือชาวฝรั่งเศส เป็นที่รู้จักจากงานด้านการเดินทางและภูมิศาสตร์มากกว่าเรื่องเครื่องมือ. เขาเห็นว่าหลอดปิดสนิทที่บรรจุของเหลวและมีฟองอากาศ จะดันฟองไปยังจุดสูงสุดเสมอ. นั่นจึงให้ค่าอ้างอิงแนวนอนที่นิ่ง โดยไม่มีการแกว่งเหมือนสายดิ่ง.

ทำไมแอลกอฮอล์จึงมาแทนน้ำ

น้ำเป็นตัวเลือกแรกที่นึกถึง และช่างในยุคก่อนก็เคยใช้รางน้ำเป็นค่าอ้างอิงแนวนอนแบบคร่าว ๆ. แต่น้ำมีปัญหาสองอย่าง. มันแข็งตัว เครื่องมือจึงใช้ไม่ได้ในหน้าหนาว. และมันเกาะผิวแก้วไม่สม่ำเสมอ ฟองจึงติดและกระตุกแทนที่จะเลื่อนลื่น ๆ. แอลกอฮอล์ (คือ "สปิริต") ไม่แข็งตัวที่อุณหภูมิกลางแจ้งทั่วไป ไหลลื่น และเกาะผิวแก้วอย่างสม่ำเสมอ. ด้วยเหตุนี้มันจึงเป็นฝ่ายชนะ.

จาก Thévenot สู่หน้างานก่อสร้าง

ในศตวรรษถัดมา ช่างสำรวจและช่างทำเครื่องมือหันมาใช้ระดับน้ำ. ช่างทำกล้องโทรทรรศน์ใช้มันปรับขาตั้งให้ได้ระดับ. ช่างสำรวจพบว่ามันพกพาง่ายกว่ารางน้ำ และนิ่งกว่าสายดิ่งสำหรับงานแนวนอน. หลอดแก้วราคาถูกที่ผลิตซ้ำได้เหมือนกันเข้ามาพร้อมการผลิตแบบอุตสาหกรรมในช่วงคริสต์ศตวรรษที่ 1800. ศตวรรษที่ 20 เพิ่มระดับน้ำแบบกล่องอะลูมิเนียม และระดับน้ำตัวเล็กแบบตอร์ปิโดที่ช่างส่วนใหญ่พกกันในทุกวันนี้.

ระดับน้ำทำงานอย่างไร

หลอดเป็นตัวทำงานทั้งหมด. มันคือหลอดแก้วหรืออะคริลิกปิดสนิท โค้งเล็กน้อย บรรจุของเหลวใส ๆ (เอทานอลหรือไอโซเอมิลอะซิเตต) และมีฟองอากาศหนึ่งฟอง. อากาศเบากว่าของเหลว แรงโน้มถ่วงจึงดึงของเหลวลง และดันฟองให้ลอยขึ้นไปอยู่จุดสูงสุดในหลอด. บนพื้นผิวที่ได้ระดับ จุดสูงสุดนั้นคือยอดของเส้นโค้ง ซึ่งมีขีดสองเส้นกำกับไว้. ฟองจะอยู่ระหว่างขีดทั้งสอง.

บทบาทของความโค้งของหลอด

ความโค้งเป็นตัวกำหนดความไว. ความโค้งที่แคบกว่า (รัศมีเล็กกว่า) ทำให้ฟองเลื่อนไปไกลกว่าเมื่อเอียงเท่ากัน จึงแสดงความคลาดเคลื่อนเล็ก ๆ ได้ชัดเจนกว่า. ความโค้งที่ลาดกว่าจะขยับฟองน้อยกว่า ซึ่งผ่อนปรนกว่าบนพื้นผิวขรุขระ แต่อ่านค่าละเอียดได้ยากกว่า.

หลอดที่มีรัศมีความโค้งราว 1 เมตร จะขยับฟองประมาณ 2 มิลลิเมตรต่อทุก ๆ 1 เมตรของความเอียง. ระดับน้ำงานก่อสร้างที่ดีใช้ความโค้งที่แคบกว่า ให้ค่าราว 0.5 มิลลิเมตรต่อเมตร. ระดับน้ำงานสำรวจแบบละเอียดใช้รัศมี 10 เมตรขึ้นไป ลงไปได้ถึงราว 0.02 มิลลิเมตรต่อเมตร.

ของเหลวทำหน้าที่อะไรบ้าง

ของเหลวต้องทำหลายอย่างพร้อมกัน. มันต้องใสและไหลง่ายเพื่อให้ฟองเคลื่อนที่เร็ว. ต้องไม่แข็งตัวในอากาศเย็นจัด. ต้องรักษาฟองให้เป็นก้อนกลมเดียว. และต้องเกาะผิวแก้วอย่างสม่ำเสมอเพื่อให้ฟองเลื่อนแทนที่จะติด. เอทานอลทำได้ครบทั้งสี่ข้อ. มันแข็งตัวที่ราว -114°C ซึ่งเย็นกว่าหน้างานใด ๆ. ส่วนไอโซเอมิลอะซิเตต (กลิ่นกล้วยหอม) ปรากฏในเครื่องมือบางรุ่นสำหรับอากาศร้อน เพราะเก็บได้นานกว่า.

สีเหลืองอมเขียวเป็นเพียงสีย้อม. ของเหลวใสบนแก้วใสทำให้มองเห็นฟองได้ยากในที่แสงจ้า.

ระดับน้ำมีกี่ประเภท?

ระดับน้ำมีรูปทรงมากกว่าที่คนส่วนใหญ่คิด และแต่ละแบบก็เหมาะกับงานต่างกัน. ข้างในทำงานเหมือนกันหมด คือมีหลอดโค้งและฟองอากาศ. สิ่งที่ต่างคือขนาดและรูปทรง และนั่นคือตัวกำหนดว่าคุณจะใช้มันตรงไหนได้บ้าง.

เลือกประเภทให้เหมาะกับงาน

ความยาวสำคัญกว่าที่คนซื้อส่วนใหญ่คิด. เอาระดับน้ำตอร์ปิโด 9 นิ้ววางบนแนวตู้ยาว 6 ฟุต มันก็อ่านได้แค่ช่วง 9 นิ้ว ไม่ใช่ทั้งแนว. รอยแอ่นค่อย ๆ ตรงกลางอาจหลุดรอดสายตาไป. ให้ใช้ระดับน้ำที่ยาวที่สุดเท่าที่วางลงกับงานได้. ระดับน้ำ 48 นิ้วบนตู้ครัวจับจุดสูงที่ระดับ 24 นิ้วข้ามผ่านไปได้.

อ่านค่าระดับน้ำอย่างไร?

การอ่านระดับน้ำอยู่ที่ว่าตาคุณอยู่ตรงไหน. ขีดสองเส้นบนหลอดคือเป้า และฟองต้องอยู่ระหว่างนั้น. มองหลอดตรง ๆ. ถ้ามองเอียงไปด้านข้างแม้แค่ 15 องศา ภาพลวงตาจะทำให้ฟองดูเหมือนเลื่อนทั้งที่จริงมันไม่ได้ขยับ. นี่คือความผิดพลาดที่ผมเจอบ่อยที่สุดในหน้างาน.

สองหลอดบนระดับน้ำมาตรฐาน

ระดับน้ำตั้งแต่ 24 นิ้วขึ้นไปส่วนใหญ่มีสองหลอด. หลอดหนึ่งอยู่แนวนอน ใช้เช็กระดับ. อีกหลอดตั้งฉาก 90 องศา ใช้เช็กดิ่ง. หลอดแนวนอนจะอ่านค่ากึ่งกลางเมื่อขอบของระดับน้ำวางราบและได้ระดับ. หลอดแนวตั้งจะอ่านค่ากึ่งกลางเมื่อขอบได้ดิ่ง. บางรุ่นเพิ่มหลอด 45 องศามาด้วย.

ขีดสองเส้นหมายความว่าอะไร

ขีดสองเส้นไม่ได้แปลว่า "0 องศา" เป๊ะ ๆ. มันบอกช่วงที่ยอมรับได้. ถ้าฟองแตะขีดเส้นใดเส้นหนึ่งแทนที่จะอยู่กลางพอดี พื้นผิวก็ยังได้ระดับภายในค่าที่หลอดกำหนดไว้. บนหลอด 0.5 มม./ม. การแตะขีดหมายความว่าคุณอยู่ในช่วง 0.5 มิลลิเมตรต่อเมตร. อยู่กลางพอดีจะแม่นกว่านั้น ใกล้ 0.1 มิลลิเมตรต่อเมตรบนหลอดที่ดี.

ทำไมฟองจึงกลับมาอยู่ตรงกลางเสมอ?

หลักฟิสิกส์ก็เหมือนลูกบอลกลิ้งลงไปก้นชาม เพียงแต่กลับหัว. ฟองอากาศเบากว่าของเหลวรอบ ๆ จึงลอยขึ้นไปยังจุดสูงสุดที่ไปได้ในหลอดปิด. หลอดโค้งขึ้น บนพื้นผิวที่ได้ระดับ ยอดของเส้นโค้งจึงอยู่ตรงกลาง. แรงโน้มถ่วงดึงของเหลวลงไปทางปลายทั้งสองข้าง แล้วฟองก็ลอยขึ้นมาอยู่ตรงกลาง.

พอเอียงหลอด ยอดของเส้นโค้งก็ขยับ. ถ้ากดปลายซ้ายลง 1 องศา จุดสูงสุดจะเลื่อนไปทางปลายขวา. ฟองก็ตามไป เลื่อนไปทางขวา. ฟองจะเลื่อนไปไกลแค่ไหนขึ้นอยู่กับรัศมีของเส้นโค้ง. นี่คือเหตุผลว่าทำไมความโค้งที่แคบกว่าจึงอ่านได้ละเอียดกว่า คือความเอียง 1 องศาเท่ากันจะทำให้ฟองเลื่อนไปไกลกว่าบนเส้นโค้งที่แคบมากกว่าบนเส้นโค้งที่ลาด.

ระดับน้ำกับลูกดิ่งเป็นของคู่กัน. ทั้งคู่ใช้แรงโน้มถ่วงเป็นค่าอ้างอิง เพียงแต่คนละทิศทาง. ลูกดิ่งหาแนวดิ่งจริงด้วยการแขวนตุ้มถ่วง. ระดับน้ำหาแนวนอนจริงด้วยการลอยฟอง. สองอย่างนี้รวมกันให้คุณครบทั้งสองแกน ด้วยเครื่องมือสองชิ้นและไม่ต้องพึ่งอิเล็กทรอนิกส์ นี่คือเหตุผลว่าทำไมแบบของ Thévenot ยังอยู่ในกล่องเครื่องมือมา 350 ปีแล้ว.

ระดับน้ำแม่นแค่ไหน?

ความแม่นขึ้นอยู่กับราคาที่คุณจ่าย. ระดับน้ำแบบกล่องอะลูมิเนียมที่ดีอ่านค่าได้ระดับที่ราว 0.5 มิลลิเมตรต่อเมตร ใกล้เคียง 0.03°. ส่วนระดับน้ำพลาสติกราคาถูกจากชั้นวางในร้านอาจเพี้ยนถึง 2 มิลลิเมตรต่อเมตรหรือมากกว่า ราว ๆ 0.11°. เท่านั้นก็พอสำหรับปักเสารั้ว แต่ใช้ไม่ได้เลยกับงานปูกระเบื้องหรืองานเก็บละเอียด.

การทดสอบแบบกลับด้าน: เช็กความแม่นของระดับน้ำ

คุณไม่ต้องใช้อุปกรณ์พิเศษอะไรเลยในการเช็กระดับน้ำ. การทดสอบแบบกลับด้านใช้ได้กับพื้นผิวเรียบทุกแบบ. วางระดับน้ำลง แล้วสังเกตให้ดีว่าฟองอยู่ตรงไหนเทียบกับขีดกึ่งกลาง. จากนั้นหมุนกลับด้าน 180 องศา สลับหัวท้ายแต่ให้ขอบเดิมคว่ำลง. แล้วดูฟองอีกครั้ง.

ถ้าฟองอยู่ตำแหน่งเดิมทั้งสองครั้ง แสดงว่าระดับน้ำใช้ได้. ถ้ามันเลื่อน ค่าความคลาดเคลื่อนจริงคือครึ่งหนึ่งของผลต่างระหว่างสองครั้งที่อ่าน. ระดับน้ำที่ดีจะไม่เห็นการเลื่อนเลย.

ความแม่นเสื่อมลงตามกาลเวลาอย่างไร

ระดับน้ำแบบดั้งเดิมเพี้ยนไปจากความเสียหาย. ทำหล่นแล้วโครงงอไปนิดหน่อย หลอดก็เอียงเทียบกับขอบที่คุณวางกับงาน. หลอดอาจร้าว แล้วของเหลวก็ค่อย ๆ ระเหย ฟองก็โตขึ้น. หลอดพลาสติกยังเหลืองตามอายุ ทำให้อ่านฟองได้ยากขึ้น.

ระดับน้ำดิจิทัลกับในโทรศัพท์ต่างกันอย่างไร?

โทรศัพท์อ่านมุมด้วยเครื่องวัดความเร่งแบบ MEMS. มันคือชิ้นส่วนซิลิกอนจิ๋วที่โก่งตัวตามแรงโน้มถ่วง แล้วชิปก็แปลงการโก่งนั้นเป็นค่ามุม. เมื่อสอบเทียบแล้ว โทรศัพท์อ่านค่าได้ในราว 0.1° ถึง 0.3°. เทียบเท่ากับระดับน้ำมืออาชีพระดับกลาง และดีกว่าระดับน้ำราคาถูกที่ไม่ผ่านการรับรองใด ๆ.

สิ่งที่โทรศัพท์ทำได้ต่างออกไป

โทรศัพท์ทำสิ่งที่หลอดแก้วทำไม่ได้. มันร้องเตือนถี่ขึ้นเมื่อคุณเข้าใกล้ระดับ คุณจึงทำงานได้โดยสายตาจับที่ชิ้นงานและไม่ต้องเอามือจับหน้าจอ. มันบันทึกค่าตามโครงการพร้อมรูปถ่ายและ GPS. มันแสดงมุมเป็นองศา เปอร์เซ็นต์ มิลลิเมตรต่อเมตร นิ้วต่อฟุต อัตราส่วน หรือความชันหลังคา. และตั้งค่าเป้าหมายได้ เช่น ความลาดระบายน้ำ 2° ก็อ่านเป็นค่าศูนย์ของคุณ.

จุดเด่นของระดับน้ำในโทรศัพท์ไม่ใช่ความแม่น. ระดับน้ำแบบดั้งเดิมที่ดีก็แม่นพอ ๆ กัน. จุดเด่นคือโทรศัพท์อยู่ในกระเป๋าคุณอยู่แล้ว มันคุยกับคุณได้ และเก็บบันทึกสิ่งที่คุณวัดไว้ให้.

จุดที่ระดับน้ำแบบดั้งเดิมยังชนะ

ความยาวคือข้อได้เปรียบที่ชัดที่สุด. ระดับน้ำ 6 ฟุตพาดข้ามเนินและแอ่งที่โทรศัพท์มองไม่เห็น เพราะโทรศัพท์อ่านได้แค่ตามความยาวตัวเครื่องเอง ราว 6 นิ้ว. มันบอกไม่ได้ว่าหน้าเคาน์เตอร์แอ่นตรงกลางหรือเปล่า. งานแนวยาวให้หยิบระดับน้ำตัวยาว. งานเช็กเป็นจุด ๆ และงานอ่านมุมจริง ให้หยิบโทรศัพท์.

คำถามที่พบบ่อย