МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НИЖЕГОРОДСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»
Кафедра геодезии
Геодезическое инструментоведение
Учебное пособие
для студентов специальности
270205.65 – «Землеустройство»
Нижний Новгород, НГСХА
2011
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НИЖЕГОРОДСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»
Кафедра геодезии
Геодезическое инструментоведение
Учебное пособие
для студентов специальности
270205.65 – «Землеустройство»
Нижний Новгород, НГСХА
2011
УДК: 528.48 (09)
К-58
Кочетова Э.Ф. Геодезическое инструментоведение: Учебное пособие / Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия. Н.Новгород, 2010.-
Рецензенты: доктор технических наук, профессор Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета Шеховцов Г.А., кандидат технических наук, доцент Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета Оболенский Н.Н.
Учебное пособие составлено в соответствии с учебной и рабочей программой дисциплины «Геодезическое инструментоведение». Дано понятие о метрологическом обеспечении геодезических измерений, подробно рассмотрены вопросы геометрической оптики, назначение и устройство основных частей геодезических приборов, установочные приспособления первой и второй группы, устройство и принцип действия современных геодезических приборов: нивелира с компенсатором, электронного теодолита и светодальномера. Пояснен порядок выполнения работ.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Землеустройство».
©НГСХА, 2011
Введение
Последнее десятилетие развитие геодезического приборостроения характеризуется интенсивными темпами разработки новой геодезической техники для нужд различных отраслей народного хозяйства страны. Значительно обновился ассортимент приборов, разработаны принципиально новые образцы с элементами автоматизации или полностью автоматизированные на основе последних достижений электроники, лазерной и радиотехники. Естественно претерпела изменение и технология выполнения геодезических работ в землеустройстве, строительстве и других областях.
Современный специалист-землеустроитель должен ориентироваться в основных направлениях развития геодезического приборостроения и быть знаком с последними достижениями, чтобы правильно организовать геодезическую службу в своем подразделении, обеспечить ее передовой техникой с целью повышения темпов и качества геодезических работ, а так же культуры труда. Настоящее учебное пособие призвано решить эти задачи.
В учебном пособии приведены элементарные сведения из геометрической оптики, описаны оптические детали и механические части геодезических приборов, отражены конструктивные особенности современных типов геодезических приборов, методика их поверок и метрологическая аттестация.
§1. Требования к геодезическим приборам, стандартизация и классификация приборов. Метрологическое обеспечение измерений
Современные массовые геодезические приборы должны отвечать следующим требованиям:
1) высокая производительность труда исполнителя при достаточной точности измерений;
2) высокая надежность в процессе эксплуатации и транспортировки в полевых экспедиционных условиях;
3) простота и удобство операций и конкурентоспособность на мировом рынке.
Поставленным требованиям удовлетворяют только приборы, имеющие малые габариты и массу, противостоящие коррозии и другим воздействиям внешней среды, имеющие минимум удобно расположенных рукояток управления, содержащие элементы автоматизации и сохраняющие длительное время надлежащий внешний вид.
Общие технические требования к геодезическим приборам определены ГОСТ 23543-79. В соответствии с ГОСТ в качестве основных характеристик условий эксплуатации приборов приняты: температура среды 20±5°С, относительная влажность воздуха 60±20%, атмосферное давление 101,325±3,333 кПа (760±25 мм рт. ст.).
Технические средства для выполнения полевых геодезических работ резко различаются по сложности конструкции, по широте решаемых задач, по объему и характеру работы, выполняемой в каком-либо процессе, по принципу действия. Поэтому принята следующая соподчиненность понятий [3]: прибор, устройство, система, комплекс. Рассмотрим каждое понятие отдельно.
Прибор – совокупность специальных механических, оптических, электронных и других частей, деталей (иногда блоков), взаимосвязанных определенным образом, осуществляющая определенную информационную связь с объектом, позволяющая получать необходимую информацию о положении (состоянии) объекта в определенной системе отсчета (координат), иногда производить предварительную обработку и накопление информации в небольших количествах (теодолит, нивелир и др.).
Устройство - совокупность специализированных блоков, модулей, иногда приборов, осуществляющая информационную связь и информационный обмен с объектом, позволяющая получать необходимую информацию о положении (состоянии) объекта в определенной системе отсчета (координат), предварительно обрабатывать ее, накапливать или транслировать в основной центр обработки.
Система – совокупность устройств, располагаемых в исходных пунктах и снимаемом (управляемом) объекте, взаимосвязанных определенным образом, позволяющая осуществлять сбор, предварительную обработку, хранение и трансляцию информации о снимаемом (управляемом) объекте, формирование управляющих команд и их выполнение на снимаемом (управляемом) объекте (например, глобальная позиционирующая система (GPS).
Комплекс – совокупность двух и более систем (или устройств) для совместной работы с целью придания этой совокупности свойств и функций, которыми они порознь не обладали. Топографические комплексы могут объединять полевые и камеральные работы при крупномасштабной съемке, а так же работы по формированию БГД, цифровой модели местности и т.д.
Перечисленные средства могут быть неавтоматизированными, автоматизированными, автоматическими. В первом случае все процессы выполняются, контролируются и управляются оператором (исполнителем).
Автоматизированные комплексы, системы, устройства, приборы характерны тем, что в них получение, преобразование управляющих команд и их использование для воздействия на управляемый процесс осуществляется частично автоматически, а частично с участием людей-операторов.
Автоматические средства геодезических измерений предполагают полное исключение участия человека из всех выше указанных процессов и полное автоматическое их выполнение.
Внутри каждого вида технических средств (прибор, устройство, система, комплекс) так же наблюдается их большое разнообразие. Поэтому для упорядочивания всего спектра технических средств в геодезии существует их классификация, которая создает предпосылки для углубленной научной работы по отдельным типам, облегчает конструкторский поиск при конкретных условиях работы прибора и тем самым предотвращает ошибочность решений, экономит силы и средства. Для работников производственной сферы классификация позволяет выбрать из всего многообразия геодезической техники только ту, которая наиболее соответствует характеру и потребностям конкретного производства.
Классификация может быть общей и частной [5]. Ее основой служат признаки классифицируемых приборов.
Для общей классификации рекомендуются следующие по соподчиненности признаки: 1) целевое назначение технических средств; 2) функциональное назначение; 3) физический принцип, положенный в основу действия группы приборов.
Для частной классификации, распространяющийся на каждый отдельный вид прибора, характерными признаками можно считать: 1) конструктивные особенности; 2) метрологические свойства (точность, диапазон измерений и т.д.); 3) специфические свойства внутри вида и другие.
На рис. 1 представлена схема общей классификации геодезических приборов, устройств, систем и комплексов по их целевому назначению.
В классификационной ступени точками показано разделение приборов по функциональному назначению на виды (теодолиты, нивелиры, буссоли, высотомеры, дальномеры и т.д.). В скобках приведены аналогичные данные. Частные классификации приведены в последующих параграфах при рассмотрении конкретных видов приборов. На рис. 1 схема общей классификации соответствует положениям ГОСТ 23543-79 «Приборы геодезические. Общие технические требования».
Рис. 1. Схема классификации геодезических приборов
По точности делятся в основном теодолиты, нивелиры и дальномеры на три группы: высокоточные, точные и технические.
К высокоточным относятся приборы, применяемые для производства основных геодезических работ: триангуляции, полигонометрии, нивелирования I и II классов и инженерных работ особо высокой точности.
К точным относятся приборы, применяемые для развития и сгущения геодезической основы и производства массовых инженерных работ.
К техническим относятся приборы, применяемые для построения съемочных сетей и производства съемок.
Стандартизация, как и классификация, является эффективным средством ускорения технического прогресса, основой специализации производства, повышения качества продукции. Она позволяет сократить многообразие приборов, экономить материальные ресурсы при оптимальных показателях качества. Производственникам стандартизация дает возможность оперативно и надежно выбирать геодезическую технику для специфических условий своего производства.
Стандарт, как нормативно-технический документ (НТД) устанавливает комплекс норм, правил, требований к объекту стандартизации и утверждается компетентным органом. В зависимости от сферы действия выделяют стандарты государственные (ГОСТ), отраслевые (ОСТ), республиканские (РСТ) и стандарты предприятий (СТП). По содержанию различают следующие виды стандартов (или их разделов): 1) технические условия; 2) типы и основные параметры; 3) технические требования; 4) конструкция и размеры; 5) методы и средства испытаний, контроля и поверки; 6) правила приемки; 7) маркировка, упаковка, транспортировка и хранение продукции; 8) правила эксплуатации, проката, ремонта и приемки; 9) типовые технологические процессы.
В геодезическом производстве насчитывается более 30 действующих стандартов. Средний срок действия большинства стандартов 5-8 лет. Ежемесячно в информационном указателе сообщается об изменениях и дополнениях, прекращении или введении вновь в действие тех или иных ГОСТов. Предприятия, учреждения, проектные научно-исследовательские и учебные институты имеют службы стандартизации, которые эти изменения и дополнения фиксируют.
Для топографо-геодезического производства решающее значение имеет достоверность результатов измерений геодезическими приборами, т.к. измерения составляют основное содержание топографо-геодезических работ. Достоверность и сопоставимость результатов измерений обеспечивается единством мер и измерений или соответствующим метрологическим обеспечением (ГОСТ 1.25 -76).
Для обеспечения единства измерения необходимо, чтобы измеряемые величины выражались в принятой системе единиц. В 1971 г. XIV Генеральная конференция по мерам и весам приняла систему единиц СИ (System International), которая введена в народное хозяйство страны с 01.01.80 г.
Единицей плоского угла СИ является радиан-угол между двумя радиусами окружности, дуга между которыми по длине равна радиусу. В градусном исчислении 1рад = 57º17'44,8". Государственный первичный эталон воспроизводит единицу угла со средней квадратической погрешностью не более 0,02˝.
Единицей длины СИ является метр – длина, равная 1 650 763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2р10 и 5d5 атома криптона-86 (оранжевой линии спектра). Государственный первичный эталон единицы длины – метра позволяет воспроизвести значения длины в диапазоне от 0 до 1м со средним квадратическим отклонением результата измерений не более 5·10-9.
Единицей времени СИ служит секунда – время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Единица времени связана с единицей частоты – герц (1Гц = 1с-1). Государственный эталон времени и частоты воспроизводит эту единицу со средним квадратическим отклонением результата измерений не более 1·10-13, при не исключенной погрешности не более 1·10-12.
Обязательной государственной метрологической проверке подлежат средства измерений, применяемые в органах ведомственных метрологических служб в качестве исходных образцовых средств измерений (например, инварные жезлы).
Ведомственному метрологическому надзору подвергаются рабочие средства измерений через систему исходных образцовых средств измерений (например, с помощью полевых или стационарных компараторов, коллиматорных установок и др.).
Индивидуальная аттестация всех геодезических приборов, допускаемых к измерениям через систему поверок и исследований, выполняется в соответствии с требованиями НТД. Так, например, метрологическое обеспечение линейных полевых измерений осуществляется компарированием рабочих мер на компараторе, метрологическое обеспечение угловых измерений – с помощью известных в математике условий (сумма углов в треугольнике или другой фигуре), метрологическое обеспечение измерения превышений – через компарирование реек.
Геодезические приборы, изготовленные на заводах в соответствии с требованиями метрологического обеспечения на средства измерений, до выполнения работ должны быть поверены и отъюстированы.
Поверкой называют установление пригодности средств измерений к использованию. В геодезии под поверкой понимают сравнение геометрической схемы прибора с заводской или идеальной. Исправление выявленных несоответствий называется юстировкой. Метрологическая поверка геодезических приборов выполняется по специальной научно-технической документации, утвержденной головной или базовой метрологической организацией, лицами, прошедшими специальное обучение, под непосредственным руководством главного метролога организации или учреждения. Результаты поверки регистрируются в журнале или свидетельстве. Обычно выполняют поверки: первичную (после получения прибора с завода), периодическую (перед началом геодезических работ в сезоне), внеочередную (после ремонта прибора, тряски в транспорте и т.п.).
В топографо-геодезическом производстве руководство и координирование работ по стандартизации и метрологии проводит Центральный научно-исследовательский институт геодезии, аэросъемки и картографии (ЦНИИГАиК). Все предприятия, учреждения, проектные научно-исследовательские и учебные институты имеют службы стандартизации, которые контролируют все изменения в области стандартизации и соответствие техники и методики работ требованиям соответствующих стандартов. В приложениях приведены основные стандарты, действующие в геодезическом производстве, а так же сведения о выпускаемой в России приборной продукции топографо-геодезического назначения.
ГОСТы на геодезические приборы определяют шифры приборов, которые формируются по единому принципу (рис.2). Основой шифра является начальная буква названия прибора, помещенная на рис.2 в кружке. Например, Т – теодолит, Та – тахеометр, РН – рейка нивелирная и т.д. Справа от буквы стоят цифры, обозначающие либо точность измерений (1", 2",…), либо диапазон измерений (30 м, 50 м, 10 км, …). Далее справа стоят буквы, символизирующие специфические особенности. Например, К – компенсатор при вертикальном круге теодолита, А – с автоколлиматором при трубе, П – прямое изображение трубы, М – маркшейдерское исполнение прибора и т.д. Цифры слева от названия прибора означают номер модели (или поколения) прибора, которая основана на принципе работы базовой модели, но отличается от нее некоторыми особенностями, например, шифр 3Т5КП означает: 3- третье поколение прибора, Т – теодолит, 5" - точность измерения горизонтального угла, К – компенсатор при вертикальном круге, П – прямое изображение трубы. При этом вторая модель - 2Т5К предусматривала дополнение теодолита компенсатором, третья (3Т5КП) – прямым изображением в зрительной трубе.
Рис.2. Схема формирования ГОСТов на геодезические приборы