3.2.2. Уровни и компенсаторы наклона
3.2.2.1. Уровни
Уровни относятся к установочным приспособлениям второй группы и служат для приведения тех или иных узлов (чаще осей) геодезических приборов в вертикальное или горизонтальное положение, а также для измерения малых углов отклонения этих узлов от желаемого. По принципу действия различают уровни: электронные: Упругие.
В настоящем параграфе рассмотрены жидкостные уровни.
По форме ампул жидкостные уровни разделяют на: цилиндрические и круглые (рис. 28).
Цилиндрические уровни служат для точной, а круглые — для приближенной (но быстрой) установки узлов приборов в заданное положение. Важный показатель уровней точностные характеристики, по которым их можно классифицировать следующим образом:
установочные — приводящие узлы инструментов в фиксированное положение с точностью 5... 10’
технические — с ценой деления около одной минуты,
точные — с ценой деления не более З0”;
высокоточные — с ценой деления не более 10”.
В соответствии с ГОСТ 2.386-73 для геодезических инструментов изготовляют уровни с ценой деления 10±2/ 5±1/ 45±5// 30±3// 20±2// 15±1,5// Цена деления уровня служит мерой его чувствительности. Чувствительность уровня, то есть способность его пузырька быстро и точно принимать наивысшее положение в ампуле, находится в пределах 0,15—0,04 τ и зависит от:
1) длины пузырька; 2) качества шлифовки; 3) свойств наполнителя ампулы; 4) температуры уровня; 5) диаметра ампулы d (номинально d = 1/6 – 1/9 часть длины ампулы) и некоторых других факторов.
Цену деления и чувствительность уровней определяют путем их исследования по специальным программам и на специальных установках (экзаменатор, угломерный прибор — марка, нивелир-рейка). Все способы основаны на измерении одного и того же вертикального угла дважды — при помощи уровня и каким-либо другим методом, независимым от уровня ( i измер.):
(43)
где n - число делений перемещения середины пузырька уровня при наклоне его оси на угол i.
Круглые уровни относятся к классу установочных, имеют цену деления 5 или 10’ и служат для приближенной (но быстрой) установки узлов приборов в заданное положение.
Конструктивно круглый уровень состоит из корпуса 1, внутри которого расположена стеклянная ампула 2 в форме вертикального цилиндра, заполненная жидкостью 3. К прибору уровень крепится тремя юстировочными винтами
4. Внутренняя верхняя поверхность ампулы отшлифована под сферу с радиусом для установки пузырька уровня на его крышке наносят одну или несколько (через интервалы 2 мм) окружностей, расположенных концентрически относительно «нормальной точки», то есть нуль-пункта. Нормаль к внутренней сферической поверхости уровня, проведенная через нуль-пункт, называется осью круглого уровня. При хорошей юстировке ось круглого уровня занимает вертикальное положение.
Уровнями называются устройства для установки линий или плоскостей в горизонтальное или вертикальное положение. Уровни предназначены для ориентирования вертикальных (горизонтальных) осей геодезических приборов относительно отвесной линии. Уровни могут служить также для измерения малых вертикальных углов.
Основными частями уровня являются: ампула, наполненная жидкостью, оправа для предохранения ампулы и для ее установки на приборе. В зависимости от формы ампулы уровни бывают круглые и цилиндрические. Внутренняя часть ампулы круглого уровня имеет сферическую поверхность. Осью круглого уровня является радиус сферической поверхности, проходящей через нульпункт. Ампулы цилиндрического уровня изготавливают из молибденового стекла. Оно имеет большую твердость, меньшую шероховатость шлифованной поверхности, в меньшей степени адсорбирует газы. Все это значительно снижает возможность образования на внутренней поверхности ампулы твердых налетов перекисных соединений.
Наполнителем для ампул высокой и средней точности является эфир этиловый наркозный или его смесь с этиловым ректификованным спиртом (в количестве от 10 до 50%), а для ампул низкой точности τ=5÷10' – спирт этиловый.
После заполнения горячей жидкостью ампула запаивается, при остывании объем ее уменьшается и остается пузырек с парами жидкости. Обычно пузырек составляет 0,3÷0,4 длины ампулы при t=20ºC. Внутренняя поверхность ампулы шлифуется по радиусу. Проведем нормаль к внутренней поверхности цилиндрической ампулы в центре среднего штриха, (штрихи наносят обычно через 2 мм) в точке N. Точка N называется нульпунктом уровня. Осью уровня называется касательная к внутренней поверхности ампулы в нульпункте. При симметричном расположении пузырька уровня относительно нульпункта ось цилиндрического уровня занимает горизонтальное положение. Угол, на который надо наклонить ампулу, чтобы пузырек уровня переместился на одно деление называется τ ценой деления уровня.
где ℓ=2мм.
При цене деления
уровня τ=20" радиус кривизны ампулы
должен быть
м.
К ампуле уровня предъявляются следующие требования:
1. Ампула уровня должна иметь цену деления, соответствующую номинальному значению, с допуском, определяемым ГОСТ 2386-73. В таблице представлен ряд значений цены делений ампул с допускаемыми отклонениями.
Номинальная цена деления |
Предельное значение средней цены деления |
Номинальная цена деления |
Предельное значение средней цены деления |
||
от |
до |
|
от |
до |
|
10' 5 45" 30 |
8' 4 40" 27 |
12' 6 50" 33 |
20" 15 10 |
18" 13,5 9 |
22" 16,5 11 |
2. Радиус кривизны рабочей поверхности ампулы должен быть постоянным по всей ее длине.
Постоянство радиуса кривизны по всей длине ампулы достигается при изготовлении и должно сохраняться в течение всего времени эксплуатации. На радиус кривизны влияют температурные изменения, деформирующие ампулу; изменение может произойти в результате «старения» ампулы, то есть из-за снятия внутренних напряжений, возникающих во время изготовления ампулы.
3. Чувствительность уровня должна быть не более 0,1 от цены деления по всей рабочей длине ампулы.
Чувствительность зависит от качества шлифовки внутренней поверхности ампулы, свойств наполнителя, длины пузырька. Она изменяется также, причем неравномерно, при одностороннем нагреве ампулы, ее деформации, при изменении состояния внутренней поверхности со временем.
В уровнях, применяемых в геодезических приборах, используются ампулы: цилиндрические простые (АЦП), компенсированные (АЦК), регулируемые (АЦР).
Ампулы типа АЦП выполняются с τ=10÷90". Диаметр таких ампул колеблется в пределах от 7,5 до 14 мм, а длина – от 23 до 84 мм.
Ампулы типа АЦК выполняются с τ=4÷40". Диаметр ампул колеблется от 11 до 14 мм, а длина – от 72 до 124 мм. Внутри ампулы помещена стеклянная компенсационная палочка, диаметр которой приблизительно равен половине наружного диаметра ампулы, а длина – незначительно короче ампулы. Назначение компенсационной палочки – уменьшить объем жидкости с целью уменьшения температурных изменений длины пузырька.
Цилиндрические камерные ампулы (АЦР) с регулируемой длиной пузырька имеют в конце ампулы неполную стеклянную перегородку, образующую камеру. В камеру, наклоняя ампулу, перемещают часть пузырька, регулируя, таким образом, его длину.
Ампула уровня должна быть закреплена в своей оправе неподвижно.
Рис. 28. Конструкции уровней
Конструкция юстировочного устройства должна гарантировать неизменность положения оси уровня во время измерений и при переносе прибора с одной точки на другую.
Наиболее простой способ закрепления ампулы в оправе – заливка гипсом (для уровня с ценой более 30"). Для уровней с τ<20" применяют конструкцию «плавающего» соединения ампулы с оправой. На ампулу одевают с двух концов колпачки с тремя сферическими выдувками из тонкой латуни или алюминиевого сплава, закрепленные на ней лаком или глетоглицериновым клеем. Колпачки плотно прижимают ампулу к оправе.
Один конец оправы соединяется с корпусом шарнирно, а второй – хвостовик связан с корпусом через юстировочные винты или через рычажное устройство. Шарнир может быть сферическим, на центрах или полужестким, в котором гибким элементом служит сам корпус уровня. В случае применения сферического шарнира вводится элемент, который устраняет зазор в шарнире. В теодолите Т30 таким элементом является регулировочная гайка.
С целью увеличения точности и удобства установки пузырька уровня в нульпункт широко применяется контактный уровень (рис. ), который снабжается специальным оптическим центром, включающим блок призм – сфероидов с системой дополнительных призм и микрообъективов для наблюдения за изображением противоположных концов пузырька ампулы уровня. Контактные уровни при одной и той же цене деления уровня позволяют с большей точностью установить пузырек уровня в нульпункт, чем обычные, так как взаимное расхождение двух концов пузырька уровня хорошо заметно.
Ошибка установки визирной оси в горизонтальное положение с помощью контактного уровня, может быть вычислена по формуле профессора Чеботарева.
В зрительных трубах
нивелиров концы пузырька уровня
рассматриваются под увеличением, тогда
Увеличение β
выбирается так, чтобы второй член формулы
был меньше первого не более чем в три
раза:
Кроме жидкостных уровней в настоящее время все более широкое применение находят электронные уровни. Принцип их работы может быть основан на изменении индуктивности L1 и L2 катушек К1 и К2 выполненных на ферритовых сердечниках, при изменении их положения относительно маятника, подвешенного в зазоре между катушками индуктивности.
Катушки индуктивности включены в мостовую схему. При равенстве индуктивности ток в диагонали моста становится равным 0. К другой диагонали подводится переменное напряжение. Наклон основания, на котором укреплен уровень, отсчитывают по шкале микроамперметра. Электронные уровни могут быть очень точными (0,1"), если их электронные схемы выполнены по принципу мостовых схем. Однако на их точность оказывают влияние изменение влажности, температура и другие факторы. Это относится и к жидкостным уровням.
Исследование уровней производится с целью определения цены деления, чувствительности и качества, правильности шлифовки внутренней поверхности. Наиболее точно τ можно определить на специальных приборах – экзаменаторах (рис. 29). Принципиальное устройство экзаменаторов простое: на станине, снабженной тремя подъемными винтами и горизонтальной осью, установлен уровень и пластина, которую можно наклонять с помощью наводящего устройства, а величину наклона фиксировать по лимбу, каждое деление которого соответствует малому углу наклона, например, 1÷5". В экзаменаторе пластину наклоняют с помощью высокоточного винта, а угол наклона фиксируют по показаниям оптиметра.
Исследуемый уровень располагается на пластине; определив величину перемещения n пузырька уровня по делениям на ампуле и, измерив угол наклона пластины γ=(a2-a1), легко подсчитать цену деления уровня:
где a2
и a1
– отсчеты по лимбу экзаменатора; μ –
цена одного деления лимба; n – величина
перемещения пузырька в делениях уровня.
В полевых условиях
τ нивелира определяют по рейке. При этом
делают два отсчета по уровню при двух
положениях пузырька и соответствующие
отсчеты по рейке (ℓ1
и ℓ2);
зная расстояние S до рейки, величину τ
вычисляют по формуле:
где n – число делений, на которое сместился
пузырек уровня при наклоне визирной
оси нивелира.
Цена деления уровня при алидаде вертикального круга теодолита может быть определена по отсчетам по вертикальному кругу.
Чувствительность уровней – важная характеристика, которая определяется наименьшим углом, на который надо наклонить уровень, чтобы пузырек получил смещение, заметное на глаз. Она зависит от τ, качества обработки внутренней поверхности ампулы, вязкости наполнителя и длины пузырька.
Экзаменатор
4 5
3 6
2
7
1 8
Рис. 29. Экзаменатор:
1 – станина; 2 – уровень; 3 – горизонтальная ось;
4 – исследуемый уровень; 5 – наводящее устройство; 6 – лимб;
7 – пластина; 8 – подъемные винты.