книги из ГПНТБ / Новая геодезическая техника и ее применение в строительстве учеб. пособие

вниз — в направлении к поверхности жидкости; одновременно в верхней части головки загорается электрическая лампочка. При движении световода специальный датчик перемещений фор­ мирует импульсы, считаемые пересчетной схемой. В момент со­ прикосновения конца световода с поверхностью жидкости обра­ зуется мениск; при этом лучи света от лампочки, падающие на коническую поверхность световода вне пределов мениска, пре­ терпевают пол.цре внутреннее отражение, а свет, упавший на нее в месте смачивания жидкостью, частично попадает в жидкость и

/= т,

вкоторой т —цена импульса, соответствующая установленному шагу перемещения световода по высоте; п — число импульсов от начала (фиксированного «нуля») до конца счета.

Влияния перепадов температуры жидкости на ее уровень в гидростатической системе учитываются с помощью специальных дистанционных термодатчиков.

Вся информация от каждой из двенадцати измерительных го­ ловок по линии связи передается на пульт управления. На про­ изводство полного цикла измерений работающий за пультом опе­ ратор (один) тратит не более 25 мин, тогда как для выполнения этих измерений геометрическим нивелированием бригаде из трех человек потребовалось бы 8—9 ч. При этом высотное положение элементов оборудования ускорителя определяется со средней квадратичной ошибкой порядка ± 6 0 мкм-

Возможность применения шланговых нивелиров в условиях, где затруднительно пользоваться другими приборами, простота конструкций переносных шланговых нивелиров, высокая точность измерений и возможность их автоматизации говорят в пользу широкого внедрения, гидростатического нивелирования.

§ IV. 6. Нивелиры гидромеханические

Значительно позже гидростатического зародился новый вид нивелирования — гидромеханическое (гидроманометрическое), при котором превышение находится как функция избыточного давления или вакуума *, создаваемого столбом жидкости в гид­ ростатической системе:

* Под избыточным будем понимать положительное давление, создавае­ мое собственным весом жидкости и представляющее собой превышение пол­ ного гидростатического давления в жидкости над атмосферным, а под ваку­ умом — разрежение, степень которого выражают, наоборот, лак превышение атмосферного давления над гидростатическим.

160

Рис. IV.16. Гидромеханический нивелир типа манометр — компенсатор:

Нивелир типа манометр — компенсатор (рис. IV.16), первая положительная разработка которого выполнена несколько лет на­ зад в Западном геофизическом тресте Министерства геологии РСФСР [IV. 15], состоит из мановакуумметра 2 или манометра того или иного класса точности и резервуара-компенсатора 8, соединенных между собой полиэтиленовым шлангом 6 малого" диаметра длиной 25—50 м. Чувствительный элемент (ЧЭ) мано­ вакуумметра, шланг и компенсатор (не полностью) заполняютсярабочёй жидкостью. Компенсатор представляет собой сосуд, площадь поперечного сечения которого, как и в гидростатическом' нивелировании, в несколько раз больше площади поперечного сечения шланга, за счет чего возможные значительные изменения объема жидкости в шланге компенсируются ничтожно малыми изменениями высоты уровня жидкости в компенсаторе.

При нахождении превышения между двумя точками в одной из них устанавливают манометр (мановакуумметр), а в другой — компенсатор. Чувствительный элемент манометра,— а в момент измерения и поверхность жидкости в компенсаторе,-—открыты, т. е. находятся под давлением атмосферы. Согласно основному уравнению гидростатики, манометр воспринимает избыточное

давление р столба жидкости, высота которого равна измеряемо­ му превышению /г- Для определения превышения необходимо отсчитать по манометру давление р и учесть «постоянные» при­ бора— его коэффициент К и место нуля МО (см. ниже), которые

практически оно зависит от пределов градуировки мановакуум­ метра, длины и прочности шланга.

При расположении компенсатора ниже мановакуумметра ЧЭ измеряет вакуум, создаваемый столбом жидкости высотой п. В этом случае возможности нивелира ограничиваются, так как его работа на вакуум при превышениях больших, чем высота столба жидкости, уравновешивающего внешнее (атмосферное) давление, в принципе невозможна. При использовании дистилли­ рованной воды теоретическим пределом работы прибора на ва­ куум на уровне моря является превышение около 10 м. С умень­ шением атмосферного давления при подъеме на высоту этот предел уменьшается. Практически, вследствие наличия в воде рас­ творенного воздуха, при работе на вакуум начинается его выде­ ление в ЧЭ. При получении же в системе давления, равного упру­ гости насыщенного пара при данной температуре, жидкость за­ кипает. При этом воздух и пары жидкости заполняют трубку Бурдона и она приобретает дополнительную деформацию, что искажает показания мановакуумметра. Практика показала, что, работая с дистиллированной водой, превышения свыше 6 м из­ мерять на вакуум нецелесообразно.

Гидромеханический нивелир типа манометр — манометр пред­ ставляет собой два мановакуумметра, соединенных шлангом. Система прибора полностью заполняется рабочей жидкостью. При измерении превышения давление столба жидкости высотой h распределяется поровну между чувствительными элементами обоих мановакуумметров. Нижний мановакуумметр покажет положительное давление +pi нижней половины h/2 столба жид­ кости, а верхний, фиксируя вакуум, создаваемый в его ЧЭ весом верхней половины h/2 этого столба, зарегистрирует отрицатель­ ное давление — рч.

Очевидно, что наибольшее превышение, которое может быть измерено нивелиром с двумя манометрами, равно удвоенному максимальному превышению, которое можно измерить нивели­ ром типа МК при работе его мановакуумметра на вакуум. Од­ нако это достоинство нивелира типа ММ не может компенсиро­

показаний мановакуумметров, определяется с погрешностями в 1/2 раз больше, чем при нивелировании прибором типа МК; схема же прибора типа ММ более сложна. Главный же недостаток та-

162

кого нивелира обусловлен полной герметичностью системы: на­ пряжения, постоянно возникающие в ней из-за изменений степени нагрева жидкости в шланге, не имеют выхода наружу, вследствие чего и при неизменных положениях мановакуумметров отсчеты по ним постоянно меняются, что вызывает необходимость отсче­ ты по мановакуумметрам брать синхронно.

Рис. IV.17. Принципиальная схема гидромеханического ни­ велира, разработанного в СНИИГГиМС:

воспринимается полой мембранной коробкой 7, а регистрируется с помощью множительно-измерительного механизма от баромет­ ра-анероида МД-49-А. В обоих блоках мембранные коробки включены в систему через перераспределительные• устройства, служащие одновременно и компенсаторами. Перераспредели­ тельное устройство представляет собой резервуар 5, . имеющий крышку с двойной стенкой и небольшим регулируемым зазором. Внутренняя стенка выполнена в виде тонкой эластичной плен­ ки 2, а внешняя — в виде мелкой жесткой сетки 3. Вся система заполняется жидкостью.

При установке измерительных блоков на нивелируемые точки эластичная пленка 2 в объеме 5 нижнего блока под давлением жидкости прилегает к сетке 3 и остается в этом положении до тех пор, пока данный блок находится ниже второго. Сетка позво­ ляет жидкости воспринимать атмосферное давление через элас­ тичную пленку. Из объема 5 полное гидростатическое давление через вспомогательный шланг 6 передается на мембраннуюко­ робку 7. Одновременно с этим в перераспределительном устрой­ стве верхнего блока эластичная пленка 2.отходит от сетки 3, про-

гибаясь вслед за жидкостью. При этом измерительное устройство верхнего блока фиксирует избыточное давление столба жидкости, находящейся над верхней плоскостью мембранной коробки. От­ счеты показаний обоих измерительных блоков производят одно­ временно. Значение измеряемого превышения находят как раз­ ность этих отсчетов.

Хотя описанная принципиальная схема прибора имеет ряд су­ щественных недостатков, достоинством ее является то, что оба измерительных блока работают всегда в одном режиме — только на избыточное давление. Это исключает засасывание в систему воздуха извне, повышает точность измерений и позволяет всю шкалу прибора использовать для измерения превышений одного знака, увеличивая диапазон измеряемых превышений.

Рис. IV.18. Определение превышения гидроме­ ханическим нивелиром:

нии превышения h\2 (рис. IV. 18, а) по линии (1) — (2) спосо­ бом «компенсатор впереди» давление атмосферы в точке 1 и уп­ ругая сила деформации чувствительного элемента (спирали

164

Бурдона над пятой установочного штыря манометра; Д к — высота свободной поверхности жидкости в компенсаторе над пятой его

Считая объемный вес р воздуха в пределах превышения /г1 2 неизменным и пренебрегая ничтожно малой величиной произве­ дения (Дм —Ак)р, получим:

где р\ — избыточное давление, измеренное манометром в точке /, можно записать:

Поменяв манометр и компенсатор местами и измеряя то же самое превышение /г) 2 по способу «манометр впереди» (рис. IV. 18, б), получим уравнение равновесия

Сложив равенства (IV. 50) и (IV.53) и разделив обе части нового уравнения пополам, получим:

165

Определяя положительное превышение hl2 по линии (/) — (2) компенсатором вперед [см. выражение (IV. 50)], мановакуумметр измеряет положительное давление р\. При определении же этого превышения мановакуумметром вперед измеряется отрицатель­ ное давление (вакуум) р2, чем и объясняется знак минус перед правой частью выражения (IV. 53). Следовательно,

где р — среднее арифметическое из абсолютных значений давле­

Поскольку объемный вес р воздуха примерно в 1000 раз меньше объемного веса у жидкости, то в большинстве случаев можно пользоваться приближенным значением коэффициента

Значение коэффициента К находят экспериментально при эта­ лонировании прибора путем многократных наблюдений на вы­ сотном стенде, в качестве которого используют склон оврага, реч­ ной долины либо лестничный марш здания. Закрепив на стенде шесть — восемь точек, превышения между ними определяют гео­ метрическим нивелированием с погрешностями ± 2 - г - ± 3 мм. Эталонирование гидромеханического нивелира заключается в многократном проложении по точкам стенда нивелирных ходов-. Коэффициент К вычисляют как отношение превышения, найден­ ного геометрическим нивелированием и принимаемого за истин­ ное, к измеренному манометром давлению столба жидкости, вы-

166

сота которого равна определяемому превышению. Место ну­ ля МО прибора, как правило, приводят к значению 0,00 с помощью корректора нуля манометра, регулируя натяжение юстировочной пружинки *.

Шкала манометра может быть оцифрована в значениях изме­ ряемых превышений h=pK или h=—рК. В этом случае эталони­ рование выполняется для уточнения значения К, которое находят как отношение истинного превышения к его значению, полученно­ му гидромеханическим нивелированием.

Найденное из «эталонных» измерений значение коэффициен­ та К соответствует какому-то среднему для этих измерений зна­ чению температуры жидкости, шланга и манометра, средним значениям атмосферного давления и ускорения силы тяжести в точках стенда и т. п. Если в дальнейшем полевые работы выпол­ няются при таких же условиях, то полученные результаты изме­ рений нуждаются лишь в поправке за место нуля, если оно не было приведено к нулю.

Обычно полевые работы производятся при других внешних условиях, отличных от имевших место при эталонировании при­ бора. В этом случае в измеренные значения превышений следо­ вало бы вводить поправки, основные из которых: бб, 6g , б т , 6у — поправки за изменения соответственно барометрического давле­ ния, значения ускорения силы тяжести, а также объемного веса рабочей жидкости и ее уровня в компенсаторе в зависимости от температуры. Так, при нивелировании манометром вперед превы­ шение должно было бы определяться по формуле

Рассматривая составляющие формулы (IV. 61) как независи­ мые переменные, среднюю квадратичную ошибку т д определе­ ния превышения h получим

веса жидкости, соответствующего моменту измерения превыше­

среднеквадратичные ошибки нахождения поправок за измене­ ния соответственно атмосферного давления, ускорения силы тя­ жести, объемного веса рабочей жидкости и ее уровня в компен­ саторе с температурой.

Согласно (IVf.62), точность гидромеханического нивелирова­ ния определяется объемным весом жидкости, точностью мановакуумметра, а также способом и точностью учета влияний внеш-

* В некоторых конструкциях гидромеханических нивелиров приведение МО к нулю осуществляется поворотом шкалы.

167

ней среды. В первую очередь, точность нивелирования обуслов­ ливается выбором рабочей жидкости, так как последняя может быть выбрана со значениями объемного веса от 0,8 (спирты, мас­ ла) до 13,6 г/см3 (ртуть), вследствие чего точность нивелира мо­ жет быть снижена или, наоборот, повышена в 10—15 раз.

Практически целесообразно применять в нивелирах водные растворы солей. Например, 30%-ный раствор хлористого каль­ ция с антикоррозийными присадками имеет объемный вес около 1,2 г/см3 , низкую температуру замерзания (—30°-;—35°С), незна­ чительно изменяющуюся с изменением температуры вязкость; этот раствор легко воспроизводится и безвреден для человече­ ского организма. Величина тл для данного раствора составляет примерно ± 1 • 10~4 г/см3 .

В качестве индикатора давления могут применяться, напри­ мер, мановакуумметры типов МТИ и ВТИ модели 1218 с преде­ лами измерений от + 1 до —1 кгс/см2 (изготовитель Московский завод «Манометр»). При исключении места нуля этого прибора

ского нивелирования величины перечисленных поправок подстав­

Изменение барометрического давления. Допустим, что при эталонировании на высотном стенде было найдено эталонное значение коэффициента прибора

духа, соответствующие моменту эталонирования, а нивелирова­

сферного давления, с которыми приходится сталкиваться в естест­ венных условиях на поверхности Земли, ощутимых изменении объемного веса уэ жидкости не вызывают (даже при увеличении давления на 1 кгс/см2 вода сжимается лишь на 1/20000 долю своего объема, а ртуть — на 1/250000). Изменения же объемного

.веса воздуха при изменениях давления атмосферы более значи-

168

тельны. Поэтому для получения правильного значения превыше­ ния h нужно было бы найти и использовать при вычислениях новое значение коэффициента прибора

цательные превышения должны быть уменьшены по абсолютной величине на 1/10000 (0,1 мм на каждый метр превышения).

Из формулы (IV.65) следует, что знак поправки зависит от знаков превышения и разности (рг—рэ). В замкнутых ходах неучитывание поправки за изменения барометрического давления не скажется на величине невязки. В разомкнутых ходах суммар­ ная погрешность из-за неучета изменений барометрического дав­ ления будет пропорциональна сумме превышений, но, как видно из примера, изменения атмосферного давления слабо влияют на точность гидромеханического нивелирования и в большинстве случаев возникающими за их счет погрешностями можно пре­ небречь.

Изменение объемного веса жидкости с изменениями ускоре­ ния силы тяжести и температуры. Объемный вес рабочей жидко­ сти зависит от силы тяжести в месте производства работ и темпе-

169