수준기

3. 종류

수준기에는 용도와 형태에 따라 다양한 종류가 있다.

• 목수용 수준기 (목재, 알루미늄 또는 복합 재료)
• 석공용 수준기
• 어뢰 수준기

  

• 기둥 수준기
• 선 수준기
• 토목기사용 정밀 수준기
• 전자 수준기
• 경사계
• 미끄럼 또는 미끄러짐 표시기
• 벌집 수준기

3. 1. 기포관 수준기

프레임에 장착된 기포관의 각도에 따라 측정 가능한 각도가 결정된다. 일반적으로 수평과 수직 2개, 또는 수평과 수직에 45°를 더한 3개의 기포관을 갖춘 것이 많다. 토목 공사용으로는 수평과 수직에 30°, 45°, 60°의 기포관을 갖춘 5개의 기포관을 가진 것도 있으며, 지붕 공사용으로는 기포관을 임의의 각도로 조절할 수 있는 슬랜트 기능이 있는 것도 시판되고 있다. 기포관의 곡률을 크게 하여 여러 개의 표선을 붙여 완만한 경사 각도를 측정할 수 있는 것도 있지만 정확도는 낮다.

3. 2. 원형 수준기

원형 수준기는 얇고 투명한 원판 안에 석유 또는 알코올과 같은 액체와 하나의 기포가 들어 있는 형태이다. 주로 아크릴 수지로 만들어진다.

전후좌우 모든 방향의 기울기를 한 번에 측정할 수 있다. 유리 원통형 기포관에 비해 감도와 정확도는 떨어지지만, 얇고 작으며 저렴하게 제작할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 고정밀도가 필요하지 않고 대략적인 수평 또는 수직을 유지해야 하는 기구나 장치에 내장되어 사용되는 경우가 많다.

단독으로 사용되는 경우는 드물며, 다음과 같은 기기나 장비에 내장되어 사용되는 예가 많다.

• 측량 기구의 정준 상판
• 폴이나 표척
• 측거 프리즘
• 저울(질량계)
• 영사기
• 프로젝터
• 촬영용 삼각대나 운대
• 방위 자석나침반
• 접이식 작업대
• 스포츠 용구

3. 3. 비접촉식 수준기

레이저 수준기는 각통형 수준기(수준계)에 레이저 포인터를 내장한 것이다. 가시광선 레이저 광선을 방출하여 수준기로부터 멀리 떨어진 대상물에 조사함으로써 눈으로 수평 및 높이를 확인할 수 있다. 수준기(망원경 레벨)이나 먹줄기와 비교하여 정확도는 낮다.

핸드레벨(Hand Level)은 간편한 측량기구이다. 보측으로 하는 지질도루트맵 작성이나 정밀 측량에 앞선 현지 답사(사전 조사), 논밭 정비나 조경 공사에서의 수준 관측, 풀이나 농작물의 성장 정도(수고) 관측, 산림 산악 지대의 간이 측량 등 정밀도를 요구하지 않는 수준 관측이나 경사 관측에 사용된다.

핸드레벨은 기본적으로 상부에 기포관 수준기를 부착한 3배에서 5배 정도의 저배율 망원경 또는 단순한 조준 통으로, 내부에 설치한 거울로 기포의 위치와 시준 대상을 동시에 보는 것으로 망원경 또는 조준 통을 수평으로 유지하여 측점을 시준한다. 기포관이 고정된 수평 전용 타입 외에, 상부에 기포관 부착 고도 분도기를 갖추고 경사각을 읽을 수 있는 타입도 시판되고 있다.

수평계(水盛管)는 고무관(고무호스)의 양쪽 끝에 수십 센티미터 정도 길이의 투명 유리관을 연결한 것 또는 전체가 투명한 비닐호스를 U자형으로 유지하고 물을 채운 것이다. 중간에 기포가 들어가지 않도록 물을 채우면 양쪽 끝의 액면은 반드시 수평이 된다는 것을 이용하여 멀리 떨어진 두 지점 사이의 수준(고저차)을 구하거나 확인하는 데 사용한다. 고무관이나 유리관이 시판되기 시작한 메이지 시대 중기 무렵부터 사용되기 시작했다. 사용에는 호스의 끝을 잡고 액면을 시준하기 위해 두 사람이 필요하지만, 한쪽에 세로로 긴 양동이 또는 액면 일치를 부저로 알리는 전자식 수면계를 부착한 제품도 판매되고 있으며, 이것을 사용하면 1인 작업도 가능하다. 구조는 호스가 주이며 저렴하고 취급이 간편하면서도 정확도가 높다.

현대에는 정밀한 수준기 또는 수준측량기(망원경 레벨)가 보급되어 있지만, 측점이 수 미터 이상 떨어져 있거나 측점이 평면이 아닌 경우에는 수준기를 사용하는 것이 어렵고, 측점 사이의 시계가 다른 물체에 의해 차단되어 있거나 측량 기계용 삼각대를 설치할 공간을 확보할 수 없으면 수준측량기를 사용하는 것도 불가능하다. 이러한 상황에서는 수평계가 많이 사용되고 있다.

3. 4. 기타 수준기

목수용 수준기(목재, 알루미늄 또는 복합 재료), 석공용 수준기, 어뢰 수준기, 기둥 수준기, 선 수준기, 토목기사용 정밀 수준기, 전자 수준기, 경사계, 미끄럼 또는 미끄러짐 표시기, 벌집 수준기 등 다양한 종류의 수준기가 있다.

일반적으로 수준기는 콤비네이션 스퀘어의 머리 부분에서 찾을 수 있다.

수준기를 광학 망원경과 결합하면 *경사 수준기* 또는 *덤피 레벨*이 된다.^[5] 이러한 수준측량 기기는 측량에서 더 먼 거리에 걸쳐 높이 차이를 측정하는 데 사용된다. 측량사의 수준측량 기기는 십자선이 있는 망원경(아마도 30배율)에 수준기가 장착되어 있으며, 이 망원경 자체는 삼각대에 장착되어 있다. 관측자는 눈금이 새겨진 두 개의 수직 막대(하나는 '뒤'에, 하나는 '앞'에)에서 높이 값을 읽어 막대가 놓여 있는 지면 지점 사이의 높이 차이를 얻는다. 알려진 표고가 있는 지점에서 시작하여 지형을 가로질러 (연속적인 지점은 아마도 100m 간격으로) 높이 차이를 장거리에 걸쳐 누적적으로 측정하고 표고를 계산할 수 있다. 정밀 수준 측량은 1km 떨어진 두 지점 사이의 표고 차이를 몇 밀리미터 이내의 정확도로 제공하는 것을 목표로 한다.

4. 구성 및 원리

초기 관형 수준기는 약간 곡선이 진 유리 병을 사용했으며, 이 병은 착색된 알코올 또는 알코올과 같은 액체로 불완전하게 채워져 관에 기포가 남도록 설계되었다.^[1] 약간 기울어지면 기포가 표시된 중앙 위치에서 멀어진다. 수준기를 거꾸로 또는 옆으로 사용해야 하는 경우에는 곡선형 일정 직경 관 대신 중앙이 약간 더 큰 직경을 가진 곡선이 없는 원통형 관으로 대체된다.

물 대신 에탄올과 같은 알코올이 사용되는 이유는 낮은 점도와 표면 장력 때문이다. 이는 기포가 관을 빠르게 이동하고 유리 표면의 간섭을 최소화하여 정확하게 안정될 수 있게 한다. 또한 알코올은 넓은 온도 범위에서 액체 상태를 유지하며, 얼음 팽창으로 인한 유리병 파손을 방지한다. 기포의 가시성을 높이기 위해 플루오레세인(일반적으로 노란색 또는 녹색)과 같은 착색제를 추가하기도 한다.^[1]

선형 수준기의 변형으로 버블 레벨이 있는데, 이는 중앙에 원이 있는 약간 볼록한 유리 표면 아래에 액체가 있는 원형 평평한 바닥 장치이다. 이것은 평면 전체에 표면의 수평을 맞추는 데 사용되는 반면, 관형 수준기는 관 방향으로만 수평을 맞춘다.

수준기의 민감도는 장치의 정확도를 결정하는 중요한 요소이다. 민감도는 기포를 단위 거리만큼 이동시키는 데 필요한 각도 또는 기울기의 변화로 나타낸다. 기포관에 눈금이 있는 경우, 민감도는 기포를 한 눈금만큼 이동시키는 각도 또는 기울기 변화이다. 일반적인 눈금 간격은 2mm(약 3/64인치)이다. 측량용 수준기의 경우, 바이알이 약 0.005도 기울어지면 기포가 2mm 이동한다. 2mm 눈금 간격을 가진 정밀 기계 수준기의 경우, 바이알이 한 눈금 기울어지면 회전축으로부터 1미터 떨어진 곳에서 수평이 0.04mm(약 0.0016인치) 변한다.^[3][4]

5. 보정

목수용 수준기의 정확도를 확인하기 위해 완벽하게 수평인 표면이 필요한 것은 아니다. 수준기를 평평하고 대략 수평인 표면에 놓고 기포관의 눈금을 확인한다. 이 눈금은 이 단계에서는 정확도를 알 수 없는 수준기에 따라 표면이 수평면과 평행한 정도를 나타낸다. 그런 다음 수평면에서 수준기를 180도 회전시키고 다른 눈금을 확인한다. 수준기가 정확하다면 수평면에 대한 동일한 방향을 나타낼 것이다. 차이가 있다는 것은 수준기가 부정확하다는 것을 의미한다.

수준기의 조정은 수준기를 연속적으로 회전시키고 하우징 내에서 기포관을 이동시켜 오차의 약 절반을 보정하여 수준기를 뒤집었을 때 눈금의 크기가 일정하게 유지될 때까지 반복한다.

광학 수준기나 세오돌라이트와 같은 측량사의 더 정교한 기기에도 유사한 절차가 적용되며, 기기를 설치할 때마다 당연한 절차이다. 후자의 경우, 수준기와 함께 기기의 회전면도 수평을 맞춘다. 이는 두 개의 수평 직각 방향으로 수행된다.

6. 현대적 활용

현대에는 건축, 토목, 측량 등 다양한 분야에서 수준기가 활용된다. 특히 건설 현장에서는 철골 구조물의 정렬 및 수평 작업에 디지털 수준기가 널리 사용된다. 디지털 수준기는 0.1°~0.05°의 정확도로 360° 이내의 정밀한 숫자 각도를 표시할 수 있으며, 원거리에서도 선명하게 읽을 수 있다. 또한, 철골 프레임을 필요한 방향으로 정확하게 정렬하고 수평을 맞추는 데 사용되어 철골 구조물의 안정성, 강도 및 강성을 확보하는 데 기여한다.

스마트폰 앱을 통해서도 수준기 기능을 사용할 수 있다. 이러한 모바일 앱은 다양한 기능과 사용하기 쉬운 디자인을 갖추고 있다.^[6] 웹사이트에서 기기의 방향을 얻을 수 있는 표준도 마련되어 있다.

7. 관련 용어

수준기를 광학 망원경과 결합하면 ''경사 수준기'' 또는 ''덤피 레벨''이 된다.^[5] 이러한 수준측량 기기는 측량에서 더 먼 거리에 걸쳐 높이 차이를 측정하는 데 사용된다.

참조

_[1] 서적 Scientific American https://books.google[...] Munn & Company 1887-08-27
_[2] 웹사이트 Machinist's precision level (US2316777A) https://patents.goog[...] Google Patents 1940-08-01
_[3] 웹사이트 Beginner's Guide to Reading Machine Shop Numbers & Values https://www.machinis[...] 2021-11-24
_[4] 웹사이트 Sensitivity & Accuracy of Spirit Level Vials https://www.thediyen[...] 2022-12-13
_[5] 웹사이트 Equipment Database Menu https://web.archive.[...] Sli.unimelb.edu.au 1998-10-19
_[6] 웹사이트 How do I access the spirit level? https://www.iphonefa[...] iPhoneFAQ 2018-08-02
_[7] 서적 ねじとねじ回し 株式会社早川書房 2003-10-31