1. Định nghĩa máy thủy bình
a. Máy thủy bình
Máy thủy bình được định nghĩa là một thiết bị trắc địa nhằm mục đích đo chênh cao, từ số đọc trên mia (thước đo độ cao), người ta sẽ tính ra được độ cao điểm cần dẫn tuyến. Máy thủy bình đo độ cao theo tia ngắm nằm ngang được sử dụng để xây dựng lưới cao độ, san lấp mặt bằng và truyền dẫn cao độ. Sai số các loại máy thủy bình thông dụng thường đạt độ chính xác 1.0 - 2.5mm. Ngoài ra, người ta có thể tính được khoảng cách từ trạm máy tới vị trí đặt mia và với những dòng máy có gắn bàn độ ngang chúng ta cũng có thể đo được góc bằng với độ chính xác khoảng 30’
b. Máy thủy chuẩn
Khác với máy thủy bình, máy thủy chuẩn được thiết kế với độ chính xác cao hơn nhằm đáp ứng những yêu cầu kỹ thuật đòi hỏi độ chính xác cao, dùng để xây dựng hệ độ cao nhà nước, cũng như thực hiện các nhiệm vụ quan trắc, lún và chuyển dịch công trình kỹ thuật.
2. Công dụng của máy thủy bình, máy thủy chuẩn
Máy thuỷ bình được sử dụng để làm các nhiệm vụ sau đây
● Lập lưới khống chế độ cao cho thi công xây dựng công trình
● Triển khai các bản vẽ thiết kế ra hiện trường về độ cao
● Truyền độ cao từ mặt bằng cơ sở lên các tầng
● Kiểm tra độ phẳng và độ dày của sàn
● Kiểm tra độ võng của dầm
● Đo đạc quan trắc độ lún của công trình
3. Phân loại máy thủy bình
a. Phân loại theo cấu tạo của máy
Máy thủy bình cơ: Bộ phận cân bằng của máy thủy chuẩn cơ được cân bằng nhờ vít nghiêng và ống thủy dài. Cấu tạo máy thủy bình cân bằng bằng vít nghiêng và ống thủy dài (hình 1 phía dưới). Có hai đặc điểm của loại máy này là:
+ Trục ngắm của ống kính CC’ không gắn cố định với trục đứng VV’, chính vì thế khi điều chỉnh vít nghiêng thì trục ngắm CC’ của ống kính có thể quay được những góc nhỏ trong mặt phẳng thẳng đứng chứa trục CC’.
+ Ống thủy dài có trục LL’ được gắn cố định và song song với trục ngắm CC’ của ống kính.
Khi cân bằng máy thủy chuẩn loại này, trước tiên người ta cân bằng sơ bộ bằng ống thủy tròn, sau đó cân bằng chính xác máy bằng cách điều chỉnh vít nghiêng để đưa bọt nước ống thủy dài vào giữa thì trục ngắm sẽ nằm ngang.
Máy thủy bình tự động: nguyên lý chung của hệ cân bằng tự động là tính tự cân bằng của con lắc khi treo khi nó ở trạng thái tự do. Với hệ thống cân bằng tự động giúp cho các thao tác thiết lập trạm máy cũng như quá trình đo góc, đo khoảng cách, đo cao được nhanh chóng và chính xác cũng như độ tin cậy đối với các kết quả đo đạc được nâng cao so với máy thủy bình cơ.
(Hình 2 phía dưới) là trường hợp ống kính nằm ngang, số đọc o1 ở trên mia (1) sẽ qua quang tâm kính vật (2) cho ảnh trùng với tâm màng dây chữ thập O. Ở hình 2b là trường hợp ống kính bị nghiêng một góc nhỏ ε , khi đó số đọc o1 được tạo ảnh tại o’ còn tâm O màng dây chữ thập sẽ trùng với số đọc o2 trên mia. Điều đó có nghĩa tâm màng dây chữ thập đã dịch chuyển khỏi trục nằm ngang một đoạn oo’. Nhiệm vụ của bộ cân bằng tự động là làm cho O trùng với o’. Từ hình 2.b ta có:
oo’ = f.tgε = s.tgβ vì ε và β nhỏ nên f.ε = s.β (5.4)
Như vậy, để o trùng với o’ thì tâm màng dây chữ thập phải dịch chuyển một lượng fv.ε và mối quan hệ giữa các đại lượng nên f, ε , s, β phải được xác định bởi hệ số cân bằng k: các máy thủy chuẩn tự động có k từ 0,4 đến 6
Máy thủy bình điện tử hoặc máy thủy chuẩn kỹ thuật số: Máy dùng tia hồng ngoại để đọc các số liệu đã đo đạc được trước đó, sau đó sẽ tự động tính toán dựa trên các phép tính do người kĩ sư lựa chọn và cuối cùng sẽ hiển thị trên màn hình LCD các số liệu tính toán được. Dữ liệu tính toán, đo đạc có thể được lưu trữ ở bộ nhớ trong của thiết bị này và có thể chuyển qua máy tính để xử lý các số liệu đó. Mia sử dụng với máy thủy điện tử thường là mia đọc mã vạch thông thường làm bằng nhôm, gỗ và cao cấp làm bằng vật liệu invar.
b. Phân Loại theo độ chính xác của máy
- Máy thủy chuẩn có độ chính xác thấp chỉ số đo lặp trên 2.0mm. Những dòng máy thuộc loại này thường chỉ được sử dụng trong phạm vi công trình nhỏ bởi tính chính xác của nó không cao.
- Máy thủy bình có độ chính xác trung bình: là những loại máy cho phép đo độ cao hạng III, hạng IV bởi chỉ số đo lặp trong khoảng từ 1.0mm – 1.5mm. Đây là thiết bị đã được cải tiến về độ chính xác và có thể ứng dụng rộng rãi hơn trong nhiều công trình và giúp kỹ sư có được kết quả chính xác hơn.
- Máy thủy bình có độ chính xác cao (Máy thủy chuẩn) là những loại máy cho phép đo độ cao hạng I và hạng II khi chỉ số đo lặp dưới 1,0mm. Đây là thiết bị máy thủy bình tiên tiến nhất hiện nay và được sử dụng trong các công trình quy mô vừa và lớn bởi luôn cho ra những kết quả chính xác và hiệu quả công việc rất cao.
4. Cấu tạo máy thủy bình
Máy thủy bình cấu tạo bởi ba bộ phận chính: bộ phận ngắm, bộ phận cân bằng và bộ phận cố định.
a. Bộ phận ngắm
Bộ phận ngắm máy thủy bình được cấu tạo bởi nhiều bộ phận, nhưng quan trọng nhất là ống kính (hình 1). Nhìn chung ống kính máy thủy bình có cấu tạo tương tự như ống kính máy kinh vĩ, tuy nhiên có ba điểm khác sau:
+ Độ phóng đại ống kính máy thủy bình thường lớn hơn máy kinh vĩ.
+ Ống kính máy thủy bình không có bàn độ đứng.
+ Trục ngắm ống kính máy thủy bình luôn được đưa về phương nằm ngang.
1 Kính vật
2 Hệ điều quang (được lắp đặt bên trong máy và có một núm vặn bên ngoài)
3 Màng dây chữ thập
4 Thị kính (kính mắt - khi đo ngắm mắt vào ống kính này)
5 Ống thủy dài đối với máy quang cơ, Bọt thủy tròn với các dòng máy tự động và máy điện tử
6 Ốc cân đế máy
7- Vi động (tinh chỉnh)
CC’- trục ngắm ống kính LL’- trục ống thủy dài
VV’-trục quay của máy thủy bình
b. Bộ phận cân bằng
Tùy theo loại máy mà bộ phận cân bằng có thể là cân bằng thủ công nhờ vít nghiêng và ống thủy dài hoặc cân bằng tự động.
Bộ phận cân bằng của máy thủy bình cơ: các máy thủy bình cơ được cân bằng nhờ vít nghiêng và ống thủy dài. Cấu tạo máy thủy bình cân bằng bằng vít nghiêng và ống thủy dài được mô tả ở hình 1. Có hai đặc điểm của loại máy này là:
+ Trục ngắm của ống kính CC’ không gắn cố định với trục đứng VV’, chính vì thế khi điều chỉnh vít nghiêng thì trục ngắm CC’ của ống kính có thể quay được những góc nhỏ trong mặt phẳng thẳng đứng chứa trục CC’.
+ Ống thủy dài có trục LL’ được gắn cố định và song song với trục ngắm CC’ của ống kính.
Khi cân bằng máy thủy chuẩn loại này, trước tiên người ta cân bằng sơ bộ bằng ống thủy tròn, sau đó cân bằng chính xác máy bằng cách điều chỉnh vít nghiêng để đưa bọt nước ống thủy dài vào giữa thì trục ngắm sẽ nằm ngang.
Bộ phận cân bằng của máy thủy chuẩn tự động: nguyên lý chung của hệ cân bằng tự động là tính tự cân bằng của con lắc khi treo khi nó ở trạng thái tự do.
Hình 2a là trường hợp ống kính nằm ngang, số đọc O1 ở trên mia (1) sẽ qua quang tâm kính vật (2) cho ảnh trùng với tâm màng dây chữ thập O. Ở hình 2b là trường hợp ống kính bị nghiêng một góc nhỏ ε , khi đó số đọc O1 được tạo ảnh tại O’ còn tâm O màng dây chữ thập sẽ trùng với số đọc O2 trên mia. Điều đó có nghĩa tâm màng dây chữ thập đã dịch chuyển khỏi trục nằm ngang một đoạn OO’. Nhiệm vụ của bộ cân bằng tự động là làm cho O trùng với O’. Từ hình 2b ta có:
OO’ = f.tgε = s.tgβ vì ε và β nhỏ nên f.ε = s.β (hình 2)
Như vậy, để O trùng với O’ thì tâm màng dây chữ thập phải dịch chuyển một lượng fv.ε và mối quan hệ giữa các đại lượng nên f, ε , s, β phải được xác định bởi hệ số cân bằng k: các máy thủy chuẩn tự động có k từ 0,4 đến 6
Hình 2c mô tả bộ cân bằng tự động nhờ con lắc lăng kính tiêu biểu. Hệ này gồm một lăng kính tam giác (1) treo bằng sợi dây kim loại mảnh (2) đóng vai trò con lắc; còn hai lăng kính tứ giác (3), (4) được gắn cố định. Vị trí các lăng kính thỏa mãn mối tương quan (5.5) và có k = 6.
5. Đo góc bằng máy thủy bình
Góc đo bàn độ ngang được thiết kế bên dưới kính mắt và dễ dàng đọc số, người dùng có thể thiết lập góc 90° hoặc đo đạc một góc bất kỳ sau khi đã bắt mục tiêu với độ chính xác góc ngang là 30′. Tuy nhiên cũng có một số dòng máy không có chức năng trên.
6. Đo khoảng cách bằng máy thủy bình
Máy thủy bình có đo được khoảng cách không? Trải qua một quá trình tìm hiểu về máy thủy bình cũng như công dụng của nó, hầu hết các kỹ sư trắc địa đều có thể thực hiện được quá trình này với những bước rất đơn giản như sau:
Khoảng cách từ tâm máy tới mia được tính theo công thức :
D = (a – b) x100
Trong đó :
D- khoảng cách từ máy tới điểm đặt mia
a -số đọc chỉ trên
b- số đọc chỉ dưới
7. Đo cao bằng máy thủy bình
Dẫn truyền độ cao giữa các điểm
Giả sử ta muốn dẫn truyền độ cao từ điểm A ( có độ cao là H ) đến điểm B chưa biết độ cao
Bước 1: Thiết lập hoặc chuyển trạm máy thủy bình
Yêu cầu đảm bào chiều cao tia ngắm không được thấp hơn chân mia và không vượt quá chiều cao mia. Khoảng cách từ máy đến điểm A tùy thuộc vào chiều dài đoạn dẫn truyền và việc thông hướng của tia ngắm. Thường thì khoảng cách từ máy đến mia
Chú ý: Chúng ta đặt máy vào vị trí bất kỳ nhưng máy không nên thấp hơn mốc ( Mốc là một vị trí cố định cho trước)
Bước 2: Cân bằng máy thủy bình
- Máy có 3 con ốc phía dưới (Ốc cân máy), trước khi lắp máy vào giá đỡ ( chân nhôm) bạn nên điều chỉnh cho 3 ốc này tương đối bằng nhau (tránh bị cong, gãy) và để ở mức trung bình để tăng giảm cho dễ.
- Lúc bắt máy vào giá đỡ bạn để 3 ốc cân máy trùng với trục của 3 cái chân máy (cân bằng máy sẽ nhanh hơn).
- Điều chỉnh sơ bộ bằng 3 cái chân ở giá đỡ trước cho máy đạt được độ cân bằng tương đối.
* Chú ý:
- Kéo 3 chân ở giá đỡ cho bằng nhau, khoảng cách của chúng cũng phải tương đối bằng nhau.
- Để máy ở độ cao thích hợp để tiện ngắm nhất, thoải mái nhất (thường ngang tầm mắt của bạn khi đứng đo).
- Nhớ là phải chắc chắn để khỏi lệch kết quả. Tổt nhất là lúc kéo chân máy ra, lấy châm dậm xuống cho thật chắc.
Sau đó hiệu chỉnh cân bằng bọt thủy của máy bằng 3 ốc cân máy sao cho bọt thủy vào giữ vòng tròn.
* Trường hợp địa hình không bằng phẳng thì cần điều chỉnh bằng 3 chân ở giá đỡ vì 3 ốc cân máy chỉ điều chỉnh được độ lệch không lớn.
* Chú ý: Bọt nước nghiêng nghiêng về bên nào thì chỉnh ốc bên đó thấp xuống (tức là vặn vào theo chiều từ trái qua phải).
Để kiểm tra độ chính xác của bọt thủy: ta cân bằng máy bằng cách đưa bọt thủy vào giữa vòng tròn ở 1 hướng bất kỳ sau đó quay máy 1800 xem bọt thủy còn nằm giữa vòng tròn không nếu nằm giữa thì bọt thủy đã chuẩn còn bị lêch phải đi hiệu chỉnh lại hoặc những kỹ sư lâu năm có thể tự điều chỉnh được.
Bước 3: Cách đo
Trước tiên ta ngắm vào thước ngắm (ống ngắm) sơ bộ vào mia nằm ở mốc A,thước ngắm (ống ngắm) sơ bộ nằm ở phía trên như hình 3. Tiếp theo, Kính ngắm có một đầu to (Vật kính) và một đầu bé (thị kính) ta sẽ ngắm bằng đầu bé. Ngay tại đầu bé ta có thể vặn điều chỉnh để nhìn rõ lưới chỉ chữ thập bên trong máy (điều chỉnh lưới chữ thập rõ nhất tùy vào mắt mỗi người). Sau đó ta vặn nút điều quang kết hợp với nút vi động sao cho hình ảnh nhìn được trên mia tại mốc A rõ nét nhất. Sau đó đọc chỉ số trên mia, ghi ra giấy và tiến hành tương tự với điểm B và các vị trí đặt mia khác.
Giả sử tại mốc A: Số đọc chỉ giữa = a.
Số đọc chỉ giữa tại B = b
Bước 4 Cách tính truyền độ cao bằng máy thủy bình
Chênh cao giữa điểm A đến điểm B là: h = a – b
Vậy ta tính được độ cao của điểm B = H + ( a –b ) = H + h
* Ý nghĩa của các số đọc
– Số đọc chỉ giữa = ( số đọc chỉ trên + số đọc chỉ dưới ) chia 2
– KC từ máy đến mia l = (số đọc chỉ trên – số đọc chỉ dưới ) x 100 ( đvt là m )
8. Cách đọc mia
Mia chính là thước cứng thường được làm bằng nhôm hoặc gỗ có ghi số màu đen trắng hoặc đỏ trắng. Mia thường có 2 mặt, 1 mặt chia vạch cách nhau 1 mm mặt còn lại mỗi khấc cách nhau 1cm. Xem hình trên
Khi đọc thì nhớ vận chỉnh tiêu cự và kính ngắm cho nó rõ mia để tránh bị đọc sai.
Đối với mặt chia mm, trên mia luôn hiển thị 3 số đầu số cuối là vị trí cắt vạch ngang của lưới chữ thập và mia. Giả sử khi nhìn vào mia thấy vạch ngang của lưới chỉ chữ thập nằm trên 103 (2 vạch) và dưới 104 thì khi đó ta đọc là 1032 tương ứng với 1032mm và =1.032m.
Đối với mia chia từng khấc cách nhau 1mm luôn hiển thị 2 số trên mia 2 số còn lại được tính như sau: Giả sử vạch ngang của lưới chỉ chữ thập nằm trên số 10 và ngay mép dưới chữ (E ngược) thì ta đọc là 1050 tương ứng với 1050mm = 1.050m. Còn nếu vạch ngang lưới chỉ chữ thập nằm dưới số 10 và ngay mép trên chữ E (chữ E ngay dưới số 10) thì ta đọc là 1000 tướng ứng với 1000mm = 1m. Tương tự cứ 1 khấc nhỏ đen trắng hoặc đỏ trắng thì cộng thêm 1 cm.
