3890

На правах рукописи

КОЧЕТОВА ЭЛЕОНОРА ФЕДОРОВНА

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ НИВЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ОСЛАБЛЕНИЯ ВЛИЯНИЯ НА НЕГО МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

Специальность 05.01.01 - Прикладная геометрия и инженерная графика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2000

Работа выполнена в Нижегородском государственном архитектурно-строительномуниверситете

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Шеховцов Г. А.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Седов М.С.

кандидат технических наук, доцент Гусев Ю.С.

Ведущая организация - Верхневолжское аэрогеодезическое предприятие (ВВАГП), г. Нижний Новгород.

Защита состоится 27 июня 2000 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 064.09.03 при Нижегородском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 603600, Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65, ауд. 5-202

Сдиссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного архитектурно - строительного университета

Автореферат разослан 24 мая 2000 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Современные требования к точности геометрического нивелирования очень высоки и характеризуются величинами 0,01 - 0,02 мм. Такая точность необходима при развитии Государственной нивелирной сети России I класса, при изучении движений земной коры на геодинамических полигонах, при монтаже различных уникальных объектов (линейные и кольцевые ускорители заряженных частиц, турбогенераторы ТЭЦ и АЭС, радиотелескопы, направляющие пути большой протяженности для испытания образцов ракетно-космической техники и т.п.).

Для достижения указанной точности и одновременной частичной автоматизации работ разработано и используется на практике большое количество нивелиров с компенсаторами. Однако влияние окружающей среды зачастую резко снижает точность этих приборов. Среди прочих факторов одним из важных являются магнитные поля (МП), воздействующие на подвешенный чувствительный элемент (ЧЭ) нивелира, на инварную полосу рейки и на воздушную среду, в которой проходит визирный луч.

Рассматривая визирный луч лишь с геометрической точки зрения (не касаясь его волновой природы), как прямую линию, можно выделить три геометрические модели его, формируемые под действием МП:

1. При воздействии МП на компенсатор нивелира геометрическая форма визирного луча не изменяется. Он остается прямолинейным, но на выходе из зрительной трубы отклоняется в вертикальной плоскости (от горизонтального положения), вызывая ошибки в отсчетах по рейке и нарушая принцип геометрическогонивелирования.

2. Изменение структуры воздушной среды под действием МП (ориентационная поляризация молекул - диполей) нарушает геометрию визирного луча, преобразуя прямую линию в некоторую сложную кривую.

3. При воздействии МП только на рейку, визирный луч остается прямолинейным и горизонтальным, а прямолинейная инварная полоса рейки из-за притяжения к полюсам, принимает форму дуги некоторого радиуса, что нарушает номинальную цену деления рейки и вызывает дополнительные ошибки в результатах измерений.

В любом случае процесс геометрического нивелирования можно интерпретировать как процесс проецирования центра (точки) перекрестия сетки нитей с помощью проецирующей прямой (горизонтального луча) на шкалу, в качестве которой служит вертикально установленная рейка с 5-мм делениями. Под влиянием ЭМП вместо истинной проекции точки получают ошибочное ее положение. Изменение вектора ЭМП обуславливает возникновение множества проекций точки перекрестия сетки нитей. Это множество будет распределяться вокруг истинной окружности и с положительной, и с отрицательной степенью точек. Причем появление множества проекций точки объясняется изменением положения проецирующей линии по отношению к рейке (отклонение визирного луча от горизонтального положения), изменением формы проецирующей линии (искривление визирного луча) и искривлением инварной полосы рейки.

Внастоящее время свыше 80 % выпускаемых компенсаторных нивелиров снабжены оптико-механическими компенсаторами с подвеской ЧЭ на тонких металлических нитях (или ленточках), на плоской эластичной пружине, шарикоподшипниках и др.

Взависимости от сочетания проводящих и не проводящих электрический ток элементов компенсатора различной будет чувствительность компенсатора и нивелира в целом к влиянию МП. Различной она будет и по характеру, и по величине к постоянным и переменным МП. Теоретическое обоснование влияния магнетизма на точность геометрического нивелирования практически отсутствует (имеется только одна публикация, да и то применительно лишь к конкретному нивелиру Ni 002). Экспериментальные исследования проводились в основном за рубежом. В Российской Федерации известны только единичные случаи таких исследований (Пандул И.С., Лесных Н.В., Мистерик Я. и др.).

Отсутствие теоретических основ механизма влияния МП на точность геометрического нивелирования, малочисленность исследований влияния магнетизма в условиях Российской Федерации, недостаточная эффективность существующих методов и средств ослабления влияния МП, недостаточно широкое использование методов геометрического и математического моделирования, как инструмента исследования влияния МП на точность геометрического нивелирования свидетельствуют об актуальности темы диссертации.

Основные цели исследований следующие:

1. Изучить и теоретически обосновать механизм влияния магнитных полей на точность геометрического нивелирования.

2.Выявить источники и характер ошибок за магнетизм при измерении превышений.

3.Разработать новые методы и средства лабораторных и полевых исследований нивелиров с компенсаторами на чувствительность к магнетизму.

4.Усовершенствовать методы геометрического и математического моделирования применительно к исследованиям влияния МП на точность геометрическогонивелирования.

5.Создать новые геометрические схемы амагнитных компенсаторов.

6.Разработать новые средства и методы ослабления влияния магнетизма на точность геометрического нивелирования.

Для достижения поставленных целей использованы следующие методы:

1. Критический анализ результатов исследований по данной проблеме, полученных отечественными и зарубежными учеными.

2. Изучение физической сущности взаимодействия электромагнитных полей с компенсаторными нивелирами, используя основные положения физики и аппарат математических формул.

6

3.Привлечение теоретических основ нивелиров с компенсаторами.

4.Патентный поиск, анализ публикаций на предмет ослабления влияния магнетизма.

5.Использование методов синтетической и начертательной, вычислительной и дифференциальной геометрии для изучения влияния МП на геометрическое нивелирование.

6.Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных результатов исследований.

Научная новизна результатов исследований состоит в некоторых новых теоретических положениях по проблеме влияния магнетизма на точность геометрического нивелирования и авторских технических разработках, выполненных на уровне изобретений.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

1.Согласованностью теоретических выводов и практических результатов.

2.Выполнением технических решений на уровне изобретений.

3.Апробацией основных результатов исследований на научнотехнических семинарах и конференциях.

Практическая ценность работы. Предлагается методика расчета величины поправок, параметров магнитных экранов для нивелиров с компенсаторами. Разработаны и испытаны на практике новые методы и установки для полевых и лабораторных исследований влияния магнитных полей на точность геометрического нивелирования. Предложены новые технические решения для ослабления влияния магнетизма на нивелиры с компенсаторами.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях (г. Н. Новгород - 1995 - 1999 гг., г. Владимир - 1997 г.). В рамках договора о научно-техническом сотрудничестве при выполнении темы "Разработка установки и методики для исследования влияния

7

МП на геодезические приборы с компенсаторами» в лаборатории приборостроения ЦНИИГАиК оборудована магнитная установка. Три установки изготовлены и используются в ННГАСУ и метрологической лаборатории ВАГП.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 2 авторскихсвидетельстванаизобретения.

Обьем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 184 страницы, в том числе 30 таблиц и 53 рисунка. Список литературы включает 59 наименований, из них 28 - на иностранных языках.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Теоретическое обоснование механизма влияния магнитных полей на точностьгеометрическогонивелирования.

2.Методика расчета характерных ошибок за магнетизм.

3.Новые методы и средства исследований нивелиров с компенсаторами на чувствительность к магнитным полям.

4.Новые методы и средства ослабления влияния магнитных полей на точность геометрического нивелирования.

5.Результаты экспериментальных исследований влияния МП на точность геометрического нивелирования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы. Сформулированы основные задачи и положения, выносимые на защиту. Приведеныосновныеданные,характеризующиедиссертацию.

Первая глава «Анализ существующих средств, методов и результатов исследований влияния электромагнитных полей на точность геометрического нивелирования» является обзорной и содержит систематизированные материалы по опубликованным результатам полевых и лабораторных исследований отечественных и зарубежных авторов.

8

Полевые исследования проводились с целью выявления систематических ошибок геометрического нивелирования от воздействия магнитного поля Земли (МПЗ) и искусственных магнитных полей (ИМП). При изучении ошибок от МПЗ применяется метод проложения параллельных ходов нивелирования большой протяженности (до 1000 км) с помощью уровенных и компенсаторных нивелиров. При этом чем больше длина хода, тем точнее определяется ошибка.

Почти все авторы отмечают азимутальную зависимость ошибки: в направлении Север-Юг она достигает ± 2 мм/км, в направлении Восток-Запад практически отсутствует.

Исследование влияния ИМП от промышленных объектов осуществлялось на специальных геополигонах, закладываемых в районе источника МП. Часть геополигонов позволила выявить ошибку из-за влияния МП на визирный луч, что убедило исследователей в существовании электромагнитной рефракции (ЭМР). Максимальная ошибка для нивелира НА-1 (без компенсатора) состави-

ла 4,9 мм.

Однако в производственных условиях требуется еще до выхода в поле иметь качественные характеристики предназначенных для работы приборов. С этой целью проводят лабораторные исследования приборов на предмет их чувствительности к МП с помощью специальных установок. На практике используют различные установки, но все они содержат Для создания МП катушки Гельмгольца. Из всего многообразия электромагнитных установок только одна (ФРГ) является мобильной и допускает измерения как в лабораторных, так и в полевых условиях, не требуя наличия электрической энергии.

Анализ научно-технической и патентной литературы позволяет сделать следующие выводы: 1) отсутствует надежное теоретическое обоснование механизма влияния МП на точность геометрического нивелирования;

2) отсутствует методика расчета магнитных экранов для нивелиров с компенсаторами; 3) имеются многочисленные полевые исследования влияния магнетизма на точность нивелирования, однако методы таких исследований далеко не совершенны и трудоемки; 4) среди множества лабораторных установок

только одна является мобильной, допускающей ее использование как в лабораторных, так и в полевых условиях и одна установка для исследования ЭМР; 5) исчерпаны не все возможности ослабления влияния МП на точность геометрического нивелирования и конкретно на нивелиры с компенсаторами.

Автором выделено пять путей ослабления влияния 1) выбор условий и методики измерений; 2) введение поправок в результаты измерений; 3) изготовление компенсаторов нивелиров из немагнитных материалов; 4) установка антимагнитных экранов и размагничивание деталей компенсатора; 5) разработка компенсаторов, в принципе не подверженных влиянию МП (амагнитные

компенсаторы).

Диссертация посвящена решению выше перечисленных и других задач.

Вторая глава «Теоретические исследования влияния магнитных по-

лей на точность геометрического нивелирования» содержит теоретический анализ факторов, влияющих на точность работы компенсатора нивелира. Доказано, что основным источником систематических ошибок является притяжение ЧЭ к полюсам МПЗ. Возникающие ошибки в положении визирного луча можно рассчитать по формулам, полученным автором:

для нивелиров с компенсаторами перед объективом

(1)

для нивелиров с компенсатором внутри трубы:

(2)

где В - индукция МПЗ в районе нивелирования, S - площадь притягиваемой поверхности ЧЭ, К - общий коэффициент компенсации, W - угловое увеличение зрительной трубы нивелира, Aм - магнитный азимут направления визи- рования или секции нивелирного хода, - магнитное наклонение, - магнит- ная постоянная, m - масса ЧЭ, g - ускорение свободного падения, ρ - радиан (единица плоского угла). Исключить или ослабить эти ошибки можно только введением поправок в результаты измерений или установкой антимагнитных

ιυ

экранов.

Ошибки от разворота и намагничивания ЧЭ на порядок меньше, идентичны углу i и могут быть исключены из результатов измерений нивелировани-

ем из середины.

Возникающие в ЧЭ токи Фуко и индукционные практически не влияют на точность работы компенсатора и, кроме того, улучшают качество демпфиро-

вания ЧЭ.

Эффект притяжения ферромагнитных тел к полюсам действует на инвар-

ную полоску рейки, вызывая ее прогиб и ошибки в делениях шкалы.

Расчет по полученной формуле показывает, что для МПЗ эта ошибка составляет 0,09 мм для 3-метровой рейки. Для искусственных МП, во много раз

превосходящих МПЗ, величина ошибки увеличивается.

Под действием МП изменяются упругие свойства механических подвесок

где ε - остаточный угол наклона визирной оси после приведения ее к горизонту по круглому уровню, (К)'км - первая производная общего коэффициента компенсации К по Км.

В диссертации: формулы для подвесок на тонких металлических нитях, на эластичной пружине и на упругой закрученной нити или ленточке (торсионная подвеска). Для уменьшения влияния или полного исключения ошибки автор рекомендует либо ограничивать пределы работы компенсатора, либо оптимизировать его параметры (уменьшение коэффициента компенсации, массы ЧЭ и др.), так как методикой измерений эта ошибка не исключается.

На точность геометрического нивелирования влияет магнитострикция. Причем влияние это двоякое: расширение металлических частей подвески ЧЭ и инварной полосы рейки.

Удлинение металлических нитей, ленточек , этестичных пружин под дей-