Измервателни инструменти

Всеки, на когото се е налагало да извършва строително заснемане или трасиране, знае основополагащата разлика между работата с метър, отвес и нивелир, и тази с комплексен лазерен инструмент. Последният е без съмнение несравнимо по-бърз и точен - разлика особено чувствителна при големи площи и разстояния. Лазерните технологии, обаче, са само върхът на айсберга. Предлагаме ви поглед към историята на инструментите за измерване на разстояния и нейната щастлива развръзка.

Инструментите за измерване на разстояния и ъгли са едни от най-ранните уреди, изобретени някога от човека. С първите примитивни подслони дошла и необходимостта от мярка, която обикновено била свързана с най-достъпните измервателни уреди - самият човек и неговата крачка, лакът, педя, пръсти.

Основен елемент в инструментите за измерване е общата мерителна система. Най-ранните такива системи за измерване датират от 4-3 в.пр.н.е. и са открити в Египет, Месопотамия и долината на река Инд. За еталон било използвано разстоянието между лакътя и средния пръст на владетеля, наречено кубит. То се гравирало върху твърд материал - слонова кост или камък, и от него били взимани всички други мерки, необходими за изработването на измервателни уреди. В Египет, например, такив уред бил каменният метър с гравирана скала, обикновено с дължина 52-53cm (един кубит) или два пъти по тази мярка. За по-дълги разстояния се използвало мерителното въже с възли през равномерни интервали, което се смята за прародител на съвременните рулетки. Отвесът от висящ на въже яйцевиден камък и правият ъгъл също били използвани в строителството за измерване на ъгли. Нивелирът не бил познат в древността, но подобна техника се използвала при изграждането на равни основи, включително при построяването на пирамидите. При нея, в околовръст на основите, се подреждали каменни блокове и изкопът се запълвал с вода. След като се отбележи хоризонталното ниво на всяка от страните, излишният каменен материал се отнемал, водата се източвала и изкопът се запълвал с каменни блокове до равна основа.

За измерване на високо или недостижимо разстояние, били използвани по-сложни уреди, прародители на днешните геодезически инструменти. Познатата още от древна Гърция диоптра била наричана още алидад в арабския свят. Тя представлявала уред за измерване на ъгли на базата на вертикален елемент - отвес или стълб - и хоризонтален въртящ се равнобедрен триъгълник, а по-късно - полукръг с нанесени градуси. Използваната в Месопотамия, Гърция и Древен Рим грома била подобен на диоптрата уред, измерващ прави ъгли чрез система от отвеси. С негова помощ, римляните построили традиционната си градове-лагери с ортогонална улична схема, като разполагали громата в планирания център и от него проектирали главните улици - кардо (север-юг) и декуманус (изток-запад). Самият център също се наричал „грома” по името на инструмента.

Една дълга традиция
Повечето от тези древни по произход инструменти остават до голяма степен непроменени в продължение на хиляди години. Пробив в развитието им настъпва в края на 18-ти век, с индустриалната революция и възможността за фабрично производство. То позволява много по-висока точност при измерване, като същевременно прави усъвършенстваните инструменти и по-достъпни. В същото време, подемът в чугуненото и стоманеното строителство, където прецизността е от още по-голямо значение, изисква усъвършенстване на традиционните уреди и води до създаването на други, непознати преди това, като спиртния нивелир и рулетката. Един от малкото почти недокоснати от времето уреди остава отвесът.

Отвесът е може би най-простият, най-древен и най-малко променен уред за определяне на правия ъгъл. Той може да служи и за определяне на ъгли, но е незаменим за пренасяне на фиксирана точка във височина. За целта, нишката на отвеса се окачва на строителното скеле, така че тежестта да попада на маркираното място. И днес в настилката под много от куполите на кули и катедрали може да се открие месинговия знак, използван за маркиране на центъра им.

Спиртният нивелир се оказва много по-добър и лесен за използване уред за измерване на хоризонтали от отвеса. Той е изобретен в началото на 17-ти век, но придобива широка употреба едва през 18-ти, като първоначално включва две извити тръбички и е доста по-сложен за употреба. През 1920 Хенри Зиман го усъвършенства до познатата ни хоризонтална греда с вградена хоризонтална тръбичка.

Спиртът се предпочита за пълнител пред водата, тъй като има по-ниски вискозитет и повърхностно съпротивление, което позволява по-бързо и безпрепятствено движение на въздушния мехур. Голямата температурна амплитуда на алкохола пък понижава вероятността за спукване на тръбичката при замръзване на течността. Механичните нивелири днес включват обикновено две тръбички и могат да измерят едновременно хоризонтал и вертикал с точност до градус. Най-точни са тези от типа „биково око” - при тях либелата е кръгла и при нивелиране мехурчето се позиционира в маркирания център на кръга.

Рулетката е един от най-полезните и често използвани традиционни инструменти за измерване на разстояния. Тя е лека и компактна, а наследената от шивашкия метър гъвкавост й позволява измерването през криви повърхности и ъгли. Класическата рулетка с пружина е патентована през 1868г, но придобива широка употреба едва в началото на 20-ти век, когато плавно започва да измества дървения метър. Тя е съставена от разграфена метална лента с пружина, благодарение на която лентата се прибира автоматично. Корпусът включва и U-образен език, който може да застопорява лентата в определена позиция.

Революции
Ако индустриалната революция дава тласък в развитието на традиционните инструменти, то вълновата и дигиталната ги превръщат в комплексни многофункционални уреди. Основополагащо за съвременните измервателни уреди е изобретяването на лазерите през 1960г. и масовото им внедряване в измерването на разстояния от 1970г. насам. Развитието на електрониката по време на Втората световна война и следвоенния период пък осигурява платформа за дигитализация на измервателните уреди - днес всеки традиционен инструмент има усъвършенствана версия с измервателна електроника и дигитален дисплей.

Ултразвук
Първоначално далекомерите се възползват от бурното развитие на познанието за ултразвуковите вълни. Тази технология, също както и лазерната, измерва разстояния чрез времето, за което частиците/вълните се отразяват от дадено препятствие.

Ултразвуковите измерватели работят най-добре при равни и плоски повърхнини като стени и тавани, в отсъствие на други близки неравности или препятствия, които могат да създадат ехо и да доведат до неточности. За повишаване на точността, съвременните модели са снабдени с лазерни водачи, но и с тях разликите варират в рамките на сантиметри.

Лазер
За разлика от ултразвуковите, лазерните далекомери измерват с точност до милиметър и половина и са с по-голям обхват. Непрофесионалните модели са с обхват до 50m, професионалните измерват стандартно до 200m, в зависимост от условията на работа, а някои лазерни уреди в геодезическите измервания могат да регистрират разстояния от порядъка на 2km. Авангардът на лазерните уреди може да пресмята разстояния индиректнo, да се контролира дистанционно, да се синхронизира с чертожен софтуер (основно с CAD системите) и да прехвърля безжично данни на персоналния ви компютър. Някои модели се предлагат и със специализиран софтуер за въвеждане и обработка на измерванията. Благодарение на това, работата е не само по-точна, но и много по-бърза, и се архивира в хода на работа.

Предимство е и нагледното маркиране на набелязаната цел (при далекомерите) и на проектните прави и равнини (при нивелирите). Когато набелязаната цел не отразява или отразява слабо светлината, се използват отразителни плочки с монтиран в единия им край магнит и разграфени с деления. Тъй като точността на измерване зависи и от стабилността на уреда, препоръчително е той да се фиксира с магнитен държач, статив или други аксесоари, които позволяват провеждане на измерванията от един човек.

Основният недостатък на някои от съвременните лазерни уреди е намалената видимост на лазерния водач при ярка светлина. Разстоянието, на което лазерът е видим с просто око, зависи от дължината на вълната му . По-късите вълни дават по-висока яркост - например в червения спектър лазери с дължина на вълната 635nm са четири пъти по-ярки от тези с 650nm. Зелената лазерна светлина е с още по-малка дължина на вълната - от 560 до 490nm - и според изследвания на производителите се възприема като до 12 пъти по-ярка от червената, което е значително предимство при работа с тъмни повърхности.

Друг фактор, който трябва да се има предвид при работа, е необходимостта от оптична връзка между инструмента и измерваната крайна точка. Това поражда проблем не само при препятствия по дистанцията, но и ако няма видим маркер в края й - например при измерване на екстериорни стени или разстояния без набелязан ограничител. В тези случаи се създава допълнително препятствие, маркиращо края на измерваното разстояние или се използват отразяващи плочки.

Лазерни инструменти
Измервателните уреди на базата на лазерната трансмисия са наистина разнообразни и функциите им често се застъпват или съчетават в един уред. Полезни аксесоари са допълнителните адаптори, които могат да се поставят над ръбове и профили, да се фиксират към колона или метални елементи, с помощта на вградените магнити.

Условно, лазерните измервателни уреди могат да се разделят в две групи - за измерване на разстояния и за трасиране на строителни работи. При първите се работи с точков лазерен маркер, а при вторите - с линеен, получен от пресечницата на лазерна равнина с повърхност. Най-често използваните инструменти от първия тип са лазерните далекомери (т.нар. лазерни ролетки), а от втория - лазерните нивелири, пресечните лазери, многоточковите и ротационните лазери. Любопитно е, как имената на традиционните инструменти се присвояват и на коренно различните по устройство лазерни уреди, в търсене на непрекъсната еволюционна връзка.

Лазерни далекомери (лазерни ролетки)
Също като традиционните ролетки, и лазерните са компактни инструменти за измерване на разстояния по права линия. За разлика от традиционните, обаче, благодарение на мигновеното отражение на насочения светлинен поток, лазерните ролетки могат да измерват разстояния за части от секундата. Работното разстояние достига до около 250m, като малкото тегло (до 250-300g) и удобно разположените бутоните позволяват опериране с една ръка.

Лазерните ролетки могат да запаметяват и организират в бази данни десетки измервания, които могат да се използват за автоматично изчисляване на площи и обеми. Със стандартен комплект от 4 батерии по 1,5V могат да се извършат над 30 000 работни операции или над 5 часа работа. Полезна функция е възможността за измервания от задния или преден ръб на ролетката, както и от резбата на статива, когато е необходимо прецизно хоризонтиране на инструмента. В най-новите модели, производителите внедряват различни изчислителни и стабилизиращи системи, както и системи за работа в неблагоприятни климатични условия. При последните, лазерът пулсира с висока честота от 10kHz и се улавя от специални приемници дори и на дълги разстояния. За постигане на висока точност пък, инструментите включват самонивелиране, което обикновено е в рамките на ±5°. Ако се предвиждат измервания в екстремни условия, желателно е корпусът да е ударозащитен и със степен на защита срещу прах и водни пръски поне IP54 (за сравнение, степента при работа под вода е поне IP68).

Освен като самостоятелни инструменти, далекомерите могат да са част от тотални геодезически станции или строителни машини. В полагащите настилки машини като асфалто- и бетонополагачите, както и в бетоновите центрове, подобни уреди спомагат за определяне на оптималното количество на съставките в бетоновата смес.

Точкови лазери
Този тип инструменти са лазерният вариант на отвесите - служат за пренасяне на маркирани точки по височина в закрити помещения, като обхватът обикновено е до 30m в хоризонтална посока и до 10m по вертикала. Поради по-голямата си универсалност, най-популярни в практиката са многоточковите лазери, които могат да проектират лазерни точки по до три хоризонтални, взаимно перпендикулярни лъча, и два вертикални - нагоре и надолу. С тяхна помощ се пренасят точки при изпълнение на интериорни проекти или строителни работи, за изравняване на нива или монтиране на оборудване.

Пресечни лазери (лазерни нивелири)
В практиката се налага наистина често да се трасират перпендикулярни или разположени под ъгъл елементи като стени, окачени фасади и най-общо - всякакви елементи, които трябва да се позиционират вертикално или под определен ъгъл спрямо хоризонтална равнина. За тази задача, на помощ идват пресечните далекомери. Те излъчват светлинни повърхнини, които при пресичане с препятствие маркират непрекъсната линия. Обхватът на работа е в рамките на 20m или до 80m с допълнителен приемник. На практика, пресечните лазери заместват по функция както мастарите и опънатия хоризонтален конец, така и традиционните нивелири, затова често се адресират като лазерни нивелири.

Поради удобството си, в практиката се наложиха и многофункционални инструменти, комбиниращи пресечните и точкови лазери. Те позволяват едновременно измерване на разстояния и трасиране на точки и равнини.

Ротационни лазери
Този тип инструменти е сходен с предишния по това, че проектира непрекъсната линия. Разликата е, че тази линия се създава не от лазерна равнина, а от въртящ се хоризонтално на 360° и с голяма скорост (600rpm) лазерен лъч. Благодарение на пълната обиколка при въртене, създадената линия е непрекъсната по всички околни повърхности (стени) в обхват до 130m или до 200m с помощта на приемник. Това е особено полезно в едромащабното строителство - за пренасяне на нива, изграждане на окачени тавани, повдигнати подове и т.н. За определяне на подходящата височина се използва триножник.

Моделите от висок клас могат да се поставят в легнало положение под зададен ъгъл, така че ротационната повърхнина се превръща във вертикална или наклонена. Скоростта на въртене също може да е регулируема, в зависимост от осветеността на обекта - по-високата скорост възпроизвежда по-ярка линия. Стандартната скорост на въртене е от порядъка на 600rpm, но при някои модели достига до 1600rpm.