Общие сведения о высокоточных нивелирах

При нивелировании I и II классов в нашей стране применяют глухие нивелиры с уровнем (Н05, Н1, Ni004), нивелиры с компенсатором (Ni002, ReNi002, Ni007), электронные нивелиры (Dini12) и нивелирные штриховые и штрих—кодовые (для электронных нивелиров) инварные рейки. Все эти приборы должны удовлетворять требованиям «Инструкции по нивелированию I, II,III и IV классов», М., Недра, 1991г. и ГОСТа 10528-76

Требования, предъявляемые к высокоточным нивелирам

Основные параметры	Класс нивелирования
I	II
Нормальная длина визирного луча		65 и 50*
СКО определения превышения на станции, мм	0.15	0.20
СКО на 1 км двойного хода	0.5	1.0
Увеличение зрительной трубы не менее, крат
Цена деления цилиндрического контактного уровня на 2 мм не более	12"	12"
Точность самоустановки компенсатора менее	0.2"	0.2"
Допустимое отклонение от номинала любого метрового интервала инварной рейки, мм	0.10	0.30
То же при нивелировании в горах и на геодинамических полигонах	0.05	0.10
Изменение угла i при изменении t° нивелира на 1°С менее	0.5"	0.5"

^* при работе нивелиром Ni007

Кроме того, высокоточные нивелиры должны работать в интервале температур от -30 до +50 °С.

Высокоточные нивелиры по способу установления визирной оси в горизонтальное положение подразделяются на глухие и с компенсатором. Получившие в последнее время широкое распространение во всем мире высокоточные электронные нивелиры также снабжены компенсатором.

Глухие нивелиры. К глухим нивелирам относятся нивелиры Н-05, Н1, Ni004 и т.д. (рис. 12.6). Ось визирования этих нивелиров приводится в горизонтальное положение с помощью контактного цилиндрического уровня, изображение пузырька которого передано в поле зрения трубы, и соединенного с ним элевационного винта. Вращение элевационного винта позволяет точно вывести уровень на средину путем совмещения концов его пузырька перед взятием отсчета по рейке.

Глухие нивелиры имеют оптический микрометр для точного наведения биссектора сетки нитей на штрих рейки (рис.12.6—б). Как правило, оптический микрометр в глухих нивелирах выполнен в виде плоскопараллельной пластинки и механизма, наклоняющего ее, с отсчетным приспособлением (рис.12.7).

Визирный луч

х

рейка

Рис. 12.7. Устройство оптического микрометра у нивелиров типа Н05:

1—плоскопараллельная пластина; 2—барабан оптического микрометра

Наклоняя плоскопараллельную пластинку вращением барабана оптического микрометра, мы начинаем параллельно смещать визирный луч, добиваясь его совмещения с первым младшим штрихом рейки. Отсчет по барабану оптического микрометра будет соответствовать отрезку х на рис. 12.7.

У нивелира Н-05 изображение отсчета по оптическому микрометру передано в поле зрения трубы, что существенно упрощает работу.

Нивелиры с компенсатором. К высокоточным нивелирам с компенсатором относятся такие нивелиры как Ni002 (рис. 12.8), ReNi002, Ni007.

Это удобные нивелиры. Они повышают

производительность труда на 10-15% по сравнению с нивелирами с уровнем и облегчают труд нивелировщика. Главная особенность нивелиров с компенсаторами заключается в том, что приведение визирной оси нивелира в горизонтальное положение производится не с помощью контактного уровня, а с помощью специального компенсатора. Компенсатор по существу работает в автоматическом режиме, так как линия визирования на каждой станции как бы самоустанавливается в горизонтальное положение.

Принцип работы нивелира с компенсатором можно понять из следующего примера. Обратимся к рис. 12.9.

Рис. 12.9. Принцип работы нивелира с компенсатором: О –объектив зрительной трубы нивелира; f - фокусное расстояния объектива зрительной трубы нивелира; s - расстояние от компенсатора до сетки нитей; b - угол отклонения луча компенсатором.

Предположим, что точка N рейки, находящейся на некотором расстоянии L от нивелира , оптический центр объектива О и центр сетки нитей С лежат на одной горизонтальной прямой. В этом случае визирная линия нивелира горизонтальна, изображение точки N совмещено с центром сетки нитей С (рис. 12.9- )и отсчет по рейке равен N.

Наклоним зрительную трубу нивелира относительно оптического центра объектива на угол a . Центр сетки нитей С сместится относительно первоначального положения на af (рис. 12.9-б ), отсчет по рейке изменится на величину La и станет равным N + La = N¢ .

Если же каким-либо способом совместим изображение точки N с центром сетки нитей С, не меняя наклона трубы нивелира, и получим первоначальный отсчет по рейке N, соответствующий горизонтальному положению визирной линии (см. рис 12.9- ), то в этом случае зрительная труба будет как бы горизонтальна. Это совмещение изображения центра сетки нитей с отсчетом N производит компенсатор нивелира. Имеется несколько способов для совмещения изображения точки N рейки с центром сетки нитей С. В одних нивелирах при наклоне сетка нитей смещается на величину af (нивелиры фирмы «Сальмонраги»), в других изменяется ход лучей (Ni002, Ni007).

В настоящее время выпускается около 50 типов нивелиров с компенсаторами разных классов точности.

Основное требование к компенсаторам – это соблюдение равенства

или (12.4)

Отношение называется коэффициентом увеличения компенсатора.

Электронные цифровые нивелиры. Данный класс нивелиров представляет собой комплексную измерительную систему, являющуюся полностью автоматизированной системой для сбора и обработки данных в цифровом виде и обеспечивающую высокую эффективность выполнения работ на базе самых современных технологий. Электронные нивелиры снабжены компенсатором, а также температурными датчиками, не имеющими внешнего доступа. Высокоточные электронные нивелиры, выпускаемые фирмами Trimble, Leica, Topcon, удобны в обращении, дают надежные результаты, так как с помощью автоматизации процесса измерений и обработки практически сводят к нулю влияние личных ошибок нивелировщика. Тем не менее, следует помнить, что цифровой нивелир — это тот же оптический нивелир только с автоматическим сбором, хранением и обработкой данных. Поэтому все основные условия для выполнения высокоточных измерений должны выполняться и для цифровых нивелиров.

Технические характеристики высокоточных нивелиров даны в таблице 12.3.

Таблица 12.3

Технические характеристики высокоточных нивелиров

Название нивелира	Фирма или страна-изготовитель	Тип нивелира	СКО в мм на 1 км двойного хода
Dini 12	Trimble	Цифровой	0.3 мм/км
DL-101C	Topcon	Цифровой	0.4 мм/км
DNA03	Leica	Цифровой	0.3 мм/км
Н05	Россия	Уровенный	0.5 мм/км
Ni002, ReNi002	Германия	С компенсатором	0.5 мм/км

12.2. Нивелирные рейки, используемые при высокоточном нивелировании

При нивелировании I и II классов применяются штриховые или кодовые инварные рейки. Как правило, эти рейки имеют деревянный корпус, на который натягивается инварная лента с силой натяжения 20 кг. Длина деревянного корпуса рейки равна 3060мм, длина инварной ленты — 3000мм.

•

•

•

•

•

•

Рис. 12.11. Инварная шкала штриховой рейки.

На инварной ленте штриховой рейки нанесены 2 шкалы штрихов -основная и дополнительная (рис.12.11). Дополнительная шкала, как правило, смещена относительно основной на 2,5мм. Расстояние между осями штрихов равно 5 мм. Нумерация штрихов основной шкалы идет от 0 до 60, дополнительной – от 60 до 119. Нижняя плоскость пятки совпадает с нулевым штрихом основной шкалы. Нуль у дополнительной шкалы смещен на 5925 полумиллиметров.

Каждая рейка снабжена круглым уровнем и ручками. Во время взятия отсчетов по рейке ее устанавливают в отвесное положение по уровню и удерживают в этом положении при помощи подпорок. В комплект реек входят съемочные подпятники в виде кольца, которые применяются в тех случаях, когда качество изготовления пяток рейки не удовлетворяет требованиям инструкции.

Для привязки нивелирных ходов к стенным маркам используется подвесная рейка длиной 1.2м. Нулевой штрих основной шкалы подвесной рейки совмещен с центром 2мм круглого отверстия, за которое подвешивается рейка.

Точность нивелирования в конечном итоге зависит не только от качества нивелиров, квалификации нивелировщика, но и в равной мере от качества нивелирных реек и точности нанесения делений на них.

Поэтому все нивелирные рейки наряду с нивелирами проходят специальные поверки и исследования, о которых мы поговорим ниже.

12.3. Поверки и исследования высокоточных нивелиров и реек

Поверки и исследования высокоточных нивелиров и реек, как и других геодезических инструментов, выполняют с целью получения данных по пригодности их для выполнения нивелирных работ требуемого класса точности, а также для приведения нивелира в рабочее состояние.

Для штриховых инварных нивелирных реек, предназначенных для нивелирования I и II классов, контрольные испытания заключаются в следующем:

1. Поверка степени натяжения инварных полос:

Поверка выполняется перед компарированием рейки: c помощью точного динамометра измеряют силу натяжения инварных полос, которая должна быть равна (20 ± 1) кГ.

2. Определение стрелки прогиба рейки:

Для определения стрелки прогиба рейку укладывают горизонтально на боковое ребро, затем натягивают тонкую металлическую проволоку или нить между концами рейки и при помощи линейки или миллиметровой бумаги измеряют расстояния от натянутой нити до инварной полосы около делений 2, 30 и 58 рейки. По измеренным расстояниям определяют величину стрелки прогиба, которая не должна превышать 3 мм.

, (12.5)

где f — стрелка прогиба; , , — расстояния от натянутой нити до инварной полосы, соответственно, возле делений 2, 30, 58. Поверку выполняют 1 раз в два месяца во время полевых работ.

3. Поверка перпендикулярности плоскости пятки рейки к оси рейки и определение разностей высот нулей шкал реек.

Эти поверки выполняют 1 раз в год перед выездом на полевые работы.

Порядок выполнения первой части поверки заключается в следующем:

— Устанавливают нивелир на расстоянии 15 м от костыля с овальной головкой.

— Берут последовательно отсчеты по по основной и дополнительной шкалам реек, устанавливаемой на костыль различными точками пятки (2 постановки по левому краю, 2 — по правому краю и одна постановка по центру пятки). Разность отсчетов при различных постановках рейки должна быть £ 0.10мм

При определении разности высот нулей шкал реек, используемых в комплекте, забивают 3 костыля, в 15 м от которых устанавливают нивелир. Затем берут отсчеты по рейкам, последовательно устанавливая их на 3 костыля. Разность высот нулей шкал реек, используемых в комплекте должна быть

£ 0.10мм.

4. Поверка установочного круглого уровня на рейке (поверяют ежедневно перед началом работ при помощи отвеса, укрепленного на рейке или по вертикальной нити нивелира).

5. Определение ошибок делений инварных реек:

Данное исследование является одним из наиболее важных. Поэтому разберем его подробнее.

Штрихи на шкалах инварных реек наносят двумя способами:

а) путем фотографического копирования образцовых шкал;

б) с помощью тщательно изготовленных бумажных трафаретов шкал.

Оба эти способа далеко несовершенны, а инструкция по нивелированию требует, чтобы ошибки наименьших (5мм) делений реек и ошибки длины любого метрового интервала рейки были, соответственно, не более 0,05мм и 0,10мм.

Точное положение любого i-ого штриха рейки задается расчетным расстоянием l_i между начальным и текущим штрихом. Фактическое расстояние штрихов рейки характеризуется расстоянием . Разность представляет собой поправку за неточность нанесения штриха. Фактически нам нужно знать эту поправку для каждого штриха рейки. Но это достаточно трудоемкая задача. Поэтому на практике задачу исправления превышений за ошибки нанесения штрихов рейки решают только в первом приближении. Для этого на компараторе на каждой шкале входящих в комплект реек измеряют дециметровые и метровые интервалы, вычисляя для каждой рейки среднее значение метра и . Затем находят среднюю длину одного метра комплекта реек , а отличие средней длины метра комплекта реек от номинальной определяется как разность

, (12.6)

где - отличие средней длины метра комплекта реек от номинала;

= 1000,000 мм — номинальная длина; - фактическая средняя длина метра комплекта реек, полученная при компарировании.

Отклонение (в мм) приходится на каждый метр превышения, измеренного между реперами. Поэтому поправка в измеренное превышение h за отличие средней длины метра комплекта реек от номинальной будет равна

(12.7)

СКО определения поправки dh вычисляется по формуле:

(12.8)

Эталонирование шриховых инварных реек (определение отклонения средней длины метра комплекта реек от номинала) выполняют два раза в год (до начала полевого сезона и после его окончания) либо на компараторах типа МК-1 ( = 0,01 – 0,02мм), либо на интерференционном компараторе МИИГАиК.