Нивелиры, их устройство, поверки.

Основным требованием, предъявляемым к нивелирам, является горизонтальность оси визирной трубы. Выполнение этого основного требования в совремённых конструкциях нивелиров достигается либо с помощью высокоточного цилиндрического уровня, либо с помощью компенсаторов различных конструкций.

Рассмотрим сначала конструкции нивелиров с уровнями.

Основными частями всякого подобного нивелира являются:

- зрительная труба;

- цилиндрический уровень;

- подставка трубы с конической или цилиндрической осью вращения инструмента;

- подставка-треножник с втулкой для оси вращения инструмента.

По способу сочленения отдельных частей нивелира между собой конструкции нивелиров подразделяются на несколько видов, однако в настоящее время наиболее распространены так называемые "глухие" нивелиры, у которых зрительная труба с уровнем, подставкой и конической или цилиндрической осью вращения представляет собой одно целое.

Типичным представителем подобной конструкции нивелиров является нивелир Н-3, предназначенный для нивелирования III и IV классов, но его применяют и при техническом нивелировании. Цифра 3 в марке нивелира означает, что он обеспечивает производство измерений со средней квадратической погрешностью не более 3 мм на 1 км двойного хода.

У этого нивелира цилиндрический уровень с ценой деления 15" расположен в коробке вместе с призменным устройством, с помощью которого изображение концов пузырька уровня передаётся в поле зрения трубы. Относительно грубое горизонтирование прибора выполняется по круглому уровню подъёмными винтами (как у теодолита), а точное - с помощью элевационного винта по цилиндрическому уровню.

Грубое вращение зрительной трубы нивелира в горизонтальной плоскости производится от руки при откреплённом зажимном винте, а точная наводка выполняется с помощью микрометренного винта. Резкого изображения сетки нитей добиваются вращением диоптрийного кольца окуляра; резкого изображения рейки - вращением маховичка фокусирующего устройства.

Другим очень распространенным нивелиром этой же группы является нивелир Н-10Л. Здесь цифра 10 также означает величину максимальной среднеквадратической погрешности 10 мм, которая обеспечивается этим нивелиром на один километр двойного хода. Буква Л означает, что нивелир снабжён лимбом для измерения горизонтальных углов.

Основные параметры данного нивелира: увеличение трубы 23^х; цена деления цилиндрического уровня 45" (угол наклона при сходе пузырька на одно деление шкалы уровня, равное 2 мм); цена деления круглого уровня - 10'; коэффициент нитяного дальномера - 100 ±1%; цена деления лимба 1⁰.

До проведения измерений необходимо провести поверки нивелира, т.е. проверить выполнение у него ряда геометрических условий, и, если окажется необходимым, то выполнить юстировку, т.е. его наладку с целью установления правильного взаимного положения отдельных его частей и, в частности, его геометрических осей.

К основным геометрическим осям нивелира относятся:

- вертикальная ось вращения инструмента, обозначается V;

- ось цилиндрического уровня L;

- визирная ось зрительной трубы К.

Для приведения осей к нужным сопряжениям геодезические инструменты снабжаются исправительными винтами.

Для каждого нивелира должны выполняться следующие условия сопряжения осей:

1) ось цилиндрического уровня должна быть перпендикулярна к вертикальной оси вращения нивелира: L ^ V;

2) вертикальная ось вращения инструмента должна быть параллельна

отвесной линии точки стояния: V êê Z;

3) визирная ось зрительной трубы инструмента должна быть параллельна оси цилиндрического уровня L êêK.

С целью проверки указанных условий перед началом работ с нивелиром необходимо выполнить следующие основные поверки:

Поверки нивелиров с уровнями.

Поверка 1. Ось круглого уровня должна быть параллельна оси вращения нивелира.

Вращением подъёмных винтов (в нивелире Н-10Л с помощью шаровой головки штатива) приводят пузырёк уровня на середину. Верхнюю часть нивелира поворачивают на 180⁰. Если пузырёк не сместился, то условие выполнено. В противном случае юстировочными винтами уровня перемещают его к нуль-пункту на половину дуги отклонения, затем подъёмными винтами (шаровой головкой) приводят на середину. Поверку и юстировку повторяют.

Поверка 2. Вертикальный штрих сетки должен быть параллелен оси вращения нивелира, а горизонтальный - перпендикулярен к этой оси.

Приводят ось вращения нивелира в отвесное положение. Наводят вертикальную нить сетки нитей на шнур отвеса, расположенного на расстоянии 20-25 м от нивелира. Если вертикальный штрих сетки не совпадает со шнуром отвеса, условие не выполнено. В таком случае снимают окулярную часть трубы. При этом открывается оправа с сеткой, привинченная тремя винтами. Отпуская винты, поворачивают оправу с сеткой в нужную сторону. Собирают нивелир и проверяют положение вертикальной нити.

Поверка 3. Визирная ось зрительной трубы должна быть параллельна оси цилиндрического уровня.

Это главное условие нивелира. Поверка может быть выполнена тремя способами.

Способ первый. Поверку выполняют двойным нивелированием методом "вперёд" точек А и В, расположенных на расстоянии 50-75 м одна от другой. Поочерёдно над каждой точкой устанавливают нивелир, измеряют высоту инструмента и берут отсчёты по рейке при горизонтальном положении оси уровня.

Таким образом, получают два значения высоты инструмента v₁ и v₂ и два отсчёта по рейке а₁ и а₂. Если визирная ось нивелира не параллельна оси уровня и составляет с ней угол i, то отсчёты по рейке будут содержать некоторую ошибку х и правильные отсчёты будут

а₁' = а₁ + х; а₂' = а₂ + х. (19)

Тогда превышение точки В над точкой А будет:

h = v₁ - a₁' = v₁ - a₁ - x

и

h = a₂' - v₂ = a₂ + x - v₂,

откуда

v₁ + v₂ a₁ + a₂

x= --------- - --------- . (20)

2 2

В зависимости от взаимного положения в пространстве визирной оси зрительной трубы оси уровня погрешность х может иметь положительные или отрицательные значения.

Величина угла i определяется по формуле:

[(v₁ + v₂) - (a₁ +a₂] r"

i = ---------------------------, (21)

2s

где s-расстояние между точками А и В, мм; r" = 206265".

Угол i определяют не менее трёх раз, расхождение между его отдельными значениями не должно превышать 5". За окончательное значение принимают среднее арифметическое из всех измерений.

Если значение i более 10", то исправляют непараллельность в следующем порядке.

Горизонтальную нить сетки устанавливают элевационным винтом на отсчёт

а₂ + s i/r"

для рейки,установленной в точке А, или на отсчёт

а₁ + s i/r"

для рейки, установленной в точке В. Затем, действуя юстировочными винтами уровня, совмещают изображение концов пузырька уровня.

Способ второй. Сопоставляют результаты измерения превышений между двумя какими-либо точками при нивелировании "из середины" и при нивелировании "вперёд", устанавливая нивелир поочерёдно над каждой из точек. Учитывая, что при равенстве плеч при любом значении угла i превышение является верным, вычисляют разницу между превышениями, определяемыми разными способами. В случае необходимости вычисляют правильный отсчёт и юстируют нивелир.

Способ третий. Аналогичен второму способу, но вместо установки нивелира над точками А и В, второе нивелирование выполняют при резком неравенстве плеч, устанавливая нивелир так близко к одной из точек, как это позволяет фокусное расстояние зрительной трубы.

Обратимся теперь к конструкциям нивелиров с компенсаторами (авторедукционным).

Основное преимущество нивелиров с компенсаторами заключается в автоматической установке линии визирования в горизонтальное положение в пределах от ±6 до ±40' для различных марок нивелиров. Это достигается с помощью компенсаторов различной конструкции, в частности, линзовых, призменных, жидкостных и др.

Например, нивелир Н-3К снабжён оптическим (призменным) компенсатором, диапазон работы которого ±15', точность автоматической установки линии визирования в горизонтальное положение ±0.4". Для грубого наведения оси вращения прибора в вертикальное положение нивелир снабжён круглым уровнем, цена деления которого 10'.

Поверки авторедукционных нивелиров.

Поверка 1. Поверка установочного уровня. Выполняется также как и для нивелиров с уровнями.

Поверка 2. Горизонтальная нить сетки нитей должна быть перпендикулярна к вертикальной оси вращения нивелира. Выполняется также как для нивелиров с уровнями.

Поверка 3. Линия визирования должна быть горизонтальной при наклонах оси вращения прибора в пределах допустимых углов работы компесатора. Выполняется путём сопоставления результатов измерения превышений из середины при точном измерении длины плеч 50 ± 0.1 м и при установке нивелира на расстоянии 10 ± 0.1 м. В каждой точке стояния превышение определяется не менее трёх раз. Если разность в полученных превышениях более 2 мм, необходимо исправить визирную ось, предварительно вычислив поправки.

Для выполнения юстировки нивелир наводится на дальнюю рейку и исправительными винтами сетки нитей горизонтальный штрих сетки нитей наводится на отсчёт, лишённый погрешности.

Поверка 4. Определение ошибки недокомпенсации. В полевых условиях измеряют превышение при длине плеча 5,25,50 и 100 м, т.е. при расстояниях между рейками 10,50,100 и 200 м. Нивелир во время измерений должен устанавливаться точно в центре нивелируемых расстояний; неравенство плеч не должно превышать 1 м.

Поочерёдно измеряются превышения между точками при отсутствии наклона оси нивелира и при её наклоне в продольном и поперечном направлениях на угол, соответствующий номинальному значению диапазона работы компенсатора v. Измерения на станции проводятся при нескольких положениях пузырька. Для каждого расстояния выполняется не менее 5 приёмов.

Систематическая погрешность компенсации на одну минуту наклона оси нивелира вычисляется по формуле:

(h_n - h₀)r"

s_k = -----------,

2sv

где h_n - среднее превышение, полученное при наклоне нивелира на номинальный угол работы компенсатора; h₀ - среднее превышение, полученное при отсутствии наклона оси нивелира; s - длина луча визирования, мм; r = 206265"; v - угол наклона нивелира.

При величине s_k >0.5" необходимо устранение погрешности, которое производится в заводских условиях.