Контрольные испытания высокоточных нивелиров

Программы поверок и исследований для уровенных нивелиров и нивелиров с компенсаторами несколько отличаются друг от друга. Поэтому рассмотрим их отдельно.

Поверки и основные исследования уровенных нивелиров выполняют в такой последовательности:

1. Осмотр нивелира.

2. Поверка и регулирование хода подъемных винтов.

3. Поверка плавности вращения инструмента вокруг его оси.

4. Поверка перпендикулярности оси цилиндрического уровня к оси вращения нивелира.

5. Поверка и исследование установки сетки нитей.

6. Поверка и исправление установки цилиндрического уровня (поверка главного условия нивелира).

7. Поверка и исследование установки круглого уровня.

8. Исследование правильности хода фокусирующей линзы.

9. Исследование цилиндрического уровня (определение цены деления, определение ошибки взгляда из-за неточной установки пузырька уровня в нуль-пункт).

10. Исследование оптических и измерительных качеств зрительной трубы; определение коэффициента дальномера и ассиметрии нитей; определение ошибки наведения.

11. Исследование работы механизма, наклоняющего плоскопараллельную пластинку; определение цены деления барабана микрометра.

12. Испытание работы элевационного винта и определение цены его оборота.

Программа поверок и исследований нивелиров с компенсаторами отличается от программы для уровенных нивелиров лишь тем, что в ней вместо пунктов 4, 6, 9, 12, связанных с исследованием цилиндрического уровня и элевационного винта, включены следующие поверки и исследования, связанные с наличием компенсатора:

а) определение диапазона действия компенсатора;

б) определение времени затухания колебаний маятника компенсатора;

в) определение степени компенсации углов наклона визирной оси;

г) поверка горизонтальности линии визирования.

Методику выполнения всех перечисленных исследований вы можете найти в справочнике геодезиста, инструкции по нивелированию и практическом руководстве по нивелированию I и II классов.

Разберем подробно поверку главного условия нивелира.

Геометрический смысл главного условия нивелира заключается в том, что проекции визирной оси трубы и оси уровня на горизонтальную и отвесную плоскости должны быть параллельны между собой соответственно в каждой плоскости.

Поверка состоит из двух частей, т.е. вначале проверяют параллельность проекций этих осей на горизонтальную плоскость, а затем – на отвесную.

Первую часть поверки выполняют путем поворота уровня вместе с трубой относительно визирной оси трубы с помощью двух подъемных винтов.

рейка

50м

•

•

•

Рис. 12.12. Иллюстрация к выполнению первой части поверки главного условия

нивелира

Для этого нивелир устанавливают в 50м от закрепленной рейки (рис. 12.12) так, чтобы один из подъемных винтов находился в отвесной плоскости, проходящей через визирную ось трубы, а два других — на линии, перпендикулярной визирной оси. Тщательно приводят ось вращения нивелира в отвесное положение и, установив пузырек уровня в нуль-пункт, отсчитывают по рейке. Затем плавными поворотами подъемных винтов в разные стороны придают нивелиру боковые наклоны вначале в одну, затем в другую сторону, следя, чтобы отсчет по рейке не изменился. Если в обоих случаях изображения концов пузырька уровня не расходились или смещались в одну и ту же сторону одинаково, то уровень установлен правильно. Если пузырек смещался с нуль-пункта в разные стороны более, чем на 1-2 деления уровня, то установку цилиндрического уровня исправляют боковыми исправительными винтами.

Вторая часть поверки главного условия нивелира, когда определяется угол i , т.е. угол между проекциями на отвесную плоскость оси цилиндрического уровня и визирной оси трубы, может быть выполнена несколькими способами. Изложим самый простой из них, который чаще всего применяется в полевых условиях.

Схема этого способа следующая (рис. 12.13):

1. Разбиваем базис АВ длиной 50 метров.

2. Устанавливаем нивелир вблизи точки В базиса (верхний рисунок) и берем отсчеты с этой установки прибора по одной и той же рейке, установленной вначале на точку В (отсчет по ближней рейке), а затем — на точку А (отсчет по дальней рейке).

h

S

u 1

В

А

i

х

•

•

А

u 2

В

i

х

•

•

Рис. 12.13. Определение угла i: АВ— базис длиной S=50м

3. Переставляем нивелир вблизи точки А (нижний рисунок) и берем последовательно отсчеты по рейке, установленной на точку А (отсчет u₂ по ближней рейке), а затем —на точку В (отсчет по дальней рейке).

4. Отсчеты u₁ и u₂ по ближним рейкам можно считать свободными от влияния угла i, а отсчеты и — искаженными влиянием угла i на величину х . Обозначив через и истинные отсчеты по дальней рейке, выразим превышение h_АВ,полученное при каждой постановке нивелира

(12.9)

х – влияние угла i на отсчет по рейке.

Из формулы 12.8 следует, что

=

отсюда

(12.10)

(12.11)

Угол i должен быть меньше 10². При превышении указанного допуска угол i уменьшают в зависимости от конструкции уровенного нивелира или исправительными винтами уровня, или исправительными винтами сетки нитей, или поворотом оптического клина, расположенного перед объективом трубы.

30. Источники ошибок при высокоточном нивелировании и методы ослабления их влияния

Ошибки при высокоточном нивелировании бывают случайные и систематические. В свою очередь, все эти ошибки делятся еще на личные, инструментальные и ошибки за счет влияния внешних условий.

Проблема ошибок в высокоточном нивелировании довольно сложная. Дело в том, что с помощью высокоточного нивелирования часто решают задачи определения величин, соизмеримых с ошибками измерений (определение вертикальных деформаций земной поверхности, наблюдения за движением оползней, осадками крупных инженерных сооружений и т.д.), которые достаточно квалифицированно можно решить лишь при условии глубокого знания источников ошибок и методов ослабления их влияния. Рассмотрим общепринятые подходы к ослаблению влияния основных ошибок высокоточного нивелирования.

1. Влияние угла i (проекции на отвесную плоскость угла между визирной осью трубы и осью цилиндрического контактного уровня) на результаты нивелирования.

Вычертим схему влияния угла i на отсчеты по рейкам (рис.13.1).

i

i

dП

dЗ

h

П¢

П

З

З¢

Рис. 13.1. Влияние угла i на результаты нивелирования:

З , П - истинные отсчеты по задней и передней рейкам (i = 0); З¢ , П¢ - фактические отсчеты по задней и передней рейкам ( i ≠ 0); d_з, d_П - расстояния от нивелира до задней и до передней реек; h- превышение на станции.

Согласно обозначениям, данным на рис. 13.1, можно записать:

(13.1)

Тогда превышение h на станции, свободное от влияния угла i,будет равно

(13.2)

По аналогии с 13.2 можно записать выражение для превышения ΔН по секции, равное Σh, т.е.

(13.3)

Второй член в формулах (13.2 – 13.3) есть поправка в превышение за влияние угла i . При d_З = d_П эта поправка исключается. Поэтому нивелирование выполняется из середины, и методика нивелирования требует, чтобы разности расстояний (d_З - d_П) на каждой станции и накопление их по секции не превышали установленных допусков. Например, при нивелировании I класса требуется, чтобы на каждой станции (d_З - d_П) £ 0,5м, а в секции накопление этих разностей было не более 1м. Кроме того, устанавливается допуск на угол i ( i £ 10² ).

Однако этих мер для защиты результатов нивелирования от влияния угла i недостаточно, так как сам угол i может изменяться в процессенивелирования в зависимости от изменения t° окружающего воздуха. Поэтому методика производства высокоточного нивелирования предусматривает еще следующие дополнительные меры для уменьшения влияния угла i :

—применение нивелиров с теплозащитным корпусом, у которых угол i изменяется не более, чем на 0.5² при изменении t° на 1°С ;

— наблюдения на станциях следует выполнять по строго симметричной во времени программе измерений (ЗППЗ или ПЗЗП);

— прямой и обратный ходы прокладывать один утром, другой – вечером, т.е. при разных знаках приращения t° воздуха;

— необходимо тщательно защищать нивелир от солнца как во время работы на станции, так и при переходе от одной станции к другой;

— перед началом работ нивелир следует выдерживать в тени на штативе не менее 45 минут.

2. Систематическое влияние вертикальных перемещений костылей и штативов на результаты нивелирования.

В высокоточном нивелировании рейки, как правило, устанавливаются на костыли, которые в большинстве случаев оседают под воздействием собственной массы, массы реек и неизбежного нажима на рейку. Штатив, на котором расположен нивелир, также испытывает вертикальные перемещения вследствие того, что вокруг него топчется нивелировщик, а так же по ряду других причин. Исследования показали, что в подавляющем большинстве случаев штатив подвергается выпиранию, т.е. в обоих случаях эти влиянии систематические. Меры их ослабления следующие:

а) трассы прямого и обратного нивелирных ходов должны совпадать и проходить по возможности на всем протяжении по грунтам средней плотности;

б) число станций в прямом и обратном ходах должны быть четным и одинаковым;

в) программа наблюдений на станции должна быть строго симметричной во времени;

г) порядок наблюдений на смежных станциях следует чередовать: на нечетной станции наблюдения начинать с задней, а на четной - с передней рейки; в обратном ходе наоборот;

д) по ходам нивелирования I класса костыли следует закреплять не ближе 0,5м друг от друга;

е) штатив следует устанавливать без перекоса и во время работы защищать от солнца;

ж) отсчеты по рейке, установленной на костыль, следует брать не ранее, чем через 30 секунд;

з) нивелирование выполнять участками 20—30 км по схеме «восьмерка», т.е. одну половину секций участка сначала проходить в прямом направлении, а вторую в обратном.

3. Влияние наклона рейки(рис.13.2).

a’

а

•

Это влияние носит систематический характер, так как всегда увеличивает отсчет по рейке до величины , где - наклон рейки.

Рис. 13.2.

Для уменьшения этого влияния рейка снабжается круглым уровнем.

4. Влияние разностей высот нулей реек исключают путем соблюдения требования четного числа станций в секции.

5. Влияние вертикальной рефракции. Для уменьшения этого влияния необходимо:

а) применять строго симметричную по времени программу наблюдений на станции, сократив до минимума время наблюдений;

б) прокладывать прямой и обратный ходы в разное время дня;

в) строго соблюдать требования инструкции о высоте визирного луча над землей и расстоянии от нивелира до реек:

	I класс	II класс
Высота визирного луча	≥0,8м	≥0,5м
Расстояние от нивелира до рейки	≤50м	≤60м

6. Влияние отличия t° нивелирования от t° компарирования рейки.

Как мы знаем шкала деления на высокоточных нивелирных рейках изготавливается из инвара, который, как и любой реальный материал, обладает способностью изменять свои размеры при изменении t°.

Компарирование реек, т.е. определение длин метровых интервалов, выполняется при одной температуре (t_К), а нивелирование по трассе - при другой - (t_Н). Разность температур нивелирования и компарирования неизбежно вызовет изменение средней длины метра комплекта реек. Следовательно, в результаты нивелирования нужно ввести поправку за эту температурную разность, которую приближенно можно вычислить по формуле:

, (13.4)

где - поправка за температуру;

- превышение по секции; a - средний коэффициент инварного расширения;

t_Н – средняя температуранивелирования по секции;

t_К - температура компарирования реек.

Строгий учет температурного влияния на результаты высокоточного нивелирования предусматривает измерение температуры каждой рейки на каждой станции и введение поправки в отсчет по каждой рейке согласно формуле:

, (13.5)

где - температуры нивелирования и компарирования, соответственно, задней и передней реек; — коэффициенты инварного расширения для задней и передней реек; З и П— отсчеты по задней и передней рейкам.

Тогда по секции формула для введения поправки за температуры будет иметь вид:

, (13.6)

где n — число станций в секции.

31. Методика высокоточного нивелирования

Методика высокоточного нивелирования разработана таким образом, чтобы максимально уменьшить влияние перечисленных ошибок на измеренные превышения, используя рекомендации предыдущего раздела. Она изложена в инструкции по государственному нивелированию, в которой также даны основные допуски и требования к производству высокоточного нивелирования. Их надо неукоснительно соблюдать, так как для каждого требования существует теоретическая предпосылка.

Инструкция требует, чтобы нивелирование I и II классов выполнялось в прямом и обратном направлениях, причем нивелирование I класса в каждом направлении прокладывается еще по двум парам костылей (левая и правая нивелировки) (рис. 13.3).

Л

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

П

> 0,5м м

Рис. 13.3. Схема нивелирования I класса по двум парам костылей: Л – левая нивелировка, П – правая нивелировка.

Наблюдения при высокоточном нивелировании следует выполнять только при благоприятных условиях видимости, достаточно отчетливых и спокойных изображениях. Запрещается выполнять нивелирование при плавающих изображениях, сильном или порывистом ветре, сильных или скачкообразных изменениях температуры воздуха (более 6˚С в час). С целью уменьшения влияния рефракции, а также погрешностей отсчитывания необходимо строго соблюдать требования на максимальную длину плеча и высоту визирного луча над подстилающей поверхностью (таблица 11.1). В летние месяцы и ясную погоду нивелирование следует выполнять в часы утренней и вечерней видимости. С меньшей строгостью это требование можно соблюдать ранней весной и осенью, при пасмурной погоде и в районах, расположенных севернее широты 62˚.

При нивелировании в прямом ходе порядок наблюдений на станции следующий:
	Нечетная станция	Четная станция
	Отсчет по основной шкале задней рейки	Отсчет по основной шкале передней рейки
	Отсчет по основной шкале передней рейки	Отсчет по основной шкале задней рейки
	Отсчет по дополнительной шкале передней рейки	Отсчет по дополнительной шкале задней рейки
	Отсчет по дополнительной шкале задней рейки	Отсчет по дополнительной шкале передней рейки

В обратном ходе наоборот: на первой станции наблюдение выполняется по методике четной станции, на второй – по методике нечетной и т.д. Кроме того, при переходе от прямого хода к обратному рейки меняют местами.

При нивелировании I класса на каждой станции вначале берут все отсчеты по правой нивелировке, затем — по левой.

32. Полевые контроли при высокоточном нивелировании

Результаты нивелирования контролируют на каждой станции, по секциям между смежными реперами, по полигонам и по участкам между фундаментальными реперами.

Контроли на станции в первом (втором) классе следующие:

1. Превышения, вычисленные по дальномерным нитям, не должны отличаться от измеренных превышений больше чем на 50 делений барабана, т.е. на 2,5мм (нет).

2. Разность плеч допускается не более 0,5м (1.0 м), накопление разностей плеч не более 1,0м (2.0м).

3. Разность превышений между основной и дополнительной шкалами как в левой, так и в правой нивелировками допускается не более 10 делений барабана или 0.5мм (14 делений барабана или 0.7 мм).

4. Накопления разностей превышений между основной и дополнительной шкалами не должно превышать 14 делений барабана или 0.7мм (20 делений барабана или 1.0 мм).

Контроли по секции:

I класс:d₁= ( h_лев.- h_прав..)_прямо ≤ 2 мм (при n ≤ 15 на 1 км хода);

d₂=( h_лев..- h_прав.)_обр. ≤ 2 мм (при n ≤ 15 на 1 км хода);

≤ 3 мм (при n >15 на 1 км хода);

d₆=( h_прямо.- h_обр..)_ср. ≤ 3 мм (при n ≤ 15 на 1 км хода);

≤ 4 мм (при n >15 на 1 км хода).

II класс: ( h_прямо.- h_обр..)_. ≤ 5 мм (при n ≤ 15 на 1 км хода);

≤ 6 мм (при n >15 на 1 км хода

33. 34.. Предварительная обработка результатов высокоточного нивелирования. Оценка точности

Целью предварительной обработки является проверка и контроль результатов полевых измерений, введение необходимых поправок в измеренные превышения и подготовка к уравниванию.

В измеренные превышения вводят следующие поправки:

1.Поправка за отличие средней длины метра комплекта реек от номинала

(14.1)

(14.2)

В формулах (14.1- 14.2) =(l – 1000.000 мм) — отклонение средней длины метра комплекта реек от номинала; h' — измеренное превышение; h— исправленное превышение.

2. Поправка за температуру вводится по формулам (13.4) или (13.5).

3. Поправка за переход к разностям нормальных высот вычисляется в каждое превышение по секции:

(14.3)

В формуле (14.3): — приближенное значение нормальной силы тяжести, принимаемое для территории России и Беларуси равное 980000 миллигал; и — значения нормальной силы тяжести на отсчетном эллипсоиде в точках i и k; H_m — средняя высота пунктов i и k; — среднее значение аномалии силы тяжести на конечных пунктах секции; h_ik — превышение по секции.

Исправленное превышение вычисляется по формуле:

, (14.4)

где h и h' — исправленное и измеренное превышения по секции.

Контроль результатов нивелирования по невязкам полигонов и линий выполняется по исправленным перечисленными поправками превышениям. Невязки полигонов и линий вычисляются по формулам:

(14.5)

, (14.6)

где Н_В и Н_А — исходные отметки конечных пунктов линии.

Вычисленные невязки не должны превышать установленных допусков:

Iкл. (14.7)

IIкл. (14.8)

Оценка точности результатов нивелирования

Общая средняя квадратическая ошибка превышения между точками оцениваемого хода вычисляется по формуле:

, (14.9)

где и — соответственно случайная и систематическая ошибки нивелирования по ходу длиной L , в мм/км.

Указанные ошибки вычисляются по формулам

1) I класс:

или (14.10)

(14.11)

(14.12)

В формулах (14.10-14.11) n – число секций в оцениваемой линии (ходе); h_пр., h_обр.- превышение по секции, соответственно, прямое и обратное;

h_П , h_Л – правое и левое превышение по секции.

2) II класс:

, (14.13)

где d= h_пр.- h_обр. (14.14)

Среднюю квадратическую систематическую ошибку среднего превышения на 1 км нивелирного хода I и II класса вычисляют по формуле

, (14.15)

где [L_j] – общая длина оцениваемой линии. Значения S_j и L_J определяют по графику, который строят следующим образом. По оси абсцисс (рис. 14.1) откладывают в масштабе длины секций r_{i ,} образующих нивелирную линию, а по оси ординат – накопления разностей d₆ по секциям, т.е. суммы D_i = , (i = 1,2,3……., n). Затем ломаную кривую, проведенную по полученным точкам, разбивают на участки L_j с однообразным накоплением разностей, которые аппроксимируют прямыми линиями, показанными пунктиром. С графика снимают длины участков с однообразным накоплением разностей, а также разности S_j ординат концов участков, значения которых и используют в формуле (14.15).

Рис. 14.1. График накопления систематических ошибок измерений при высокоточном

нивелировании.

Точность определения превышений в нивелирной сети I и II классов характеризуется, соответственно, следующими СКО:

h_I ≤ 0.5мм/км, s_I ≤ 0.05мм/км; h_II ≤ 1.2мм/км, s_II ≤ 0.2мм/км.

Суммарное влияние случайных и систематических ошибок на 1 км хода можно вычислить по невязкам замкнутых полигонов, используя формулу

, (14.16)

где N - число полигонов; f - их невязки; Р - периметры полигонов в км.