умк_Дегтярев_Геодезия_ч.1_2010г

в) по точности:

–технические;

–точные;

–высокоточные.

Геометрические методы нивелирования в свою очередь делят на уровенные и тригонометрические, а физические на гидростатическое, барометрическое, стереофотограмметрическое и радиолокационное (аэрорадионивелирование).

Уровенные методы основываются на задании каким-либо образом частных, параллельных между собой уровенных поверхностей, проходящих через определяемые точки и получении величины перпендикуляра между ними, который и является искомым превышением (см. рис. 2.1). При этом частные уровенные поверхности могут быть заданы как геометрически, так и физически. Обычно при уровенных методах дополнительно используют разного рода линейки. Тригонометрические методы основаны на получении превышения hij из тригонометрических соотношений в прямоугольном треугольнике (см. рис. 2.1), противолежащим катетом которого является определяемое превышение. Очевидно, что для определения превышения необходимо измерение вертикального угла и расстояния, то есть использовать теодолит и линейный мерный прибор.

Гидростатическое нивелирование основано на свойстве сообщающихся сосудов сохранять уровень воды постоянно горизонтальным при любых вертикальных перемещениях сосудов. При этом величина перемещения фиксируется по делениям на сосуде относительно уровня воды. Барометрическое нивелирование основано на получении превышений по разности атмосферных давлений в двух точках. Радиолокационное нивелирование основано на излучении и приеме электромагнитных волн, в результате обработки которых получают искомые величины. Стереофотограмметрическое нивелирование выполняется путем измерения модели рельефа местности, получаемой при рассматривании двух снимков одной и той же местности на специальных приборах, называемых аналоговыми фотограмметрическими приборами.

Часто к физическим методам относят автоматическое нивелирование, основа которого – гироприборы, сохраняющие постоянным определенный уровень. Устройства размещают на средствах передвижения и в процессе нивелирования сразу вычерчивается на специальной ленте профиль по маршруту движения.

81

2.2. Средства высотных измерений

Основные вопросы: история развития высотных средств измерений; нивелир; устройство нивелира Н-3; нивелирные рейки и отсчеты по ним; поверки нивелира Н-3; поверки главного условия.

История развития высотных средств измерений. Как и для угло-

вых измерений, принципы средств и методов высотных измерений были заложены в глубокой древности шумерами, египтянами и китайцами, но дополнены и систематизированы Героном Александрийским.

Древнейшие принципы высотных измерений заключались в том, что каким-либо образом задавалась горизонтальная поверхность, относительно которой жезлами измерялось вертикальное расстояние (превышение) между точками. При этом поверхности задавались как геометрически, с использованием отвесов и треугольников (рис. 2.3), так и физически, на основе свойств воды сохранять горизонт при наклонах. Наиболее знамениты в этом отношении диоптра Герона и чисто нивелирный прибор хоробата Витрувия (рис. 2.4). В общем, во времена Герона добавилась только линейка с делениями (рис. 2.5). Например, нивелирование в Египте выполнялось с ошибкой ± 8 см на 200 м и это не лучший результат.

Рис. 2.3. Древнейшие геометрические горизонтирующие устройства

В эпоху возрождения широко использовались для горизонтирования маятниковые устройства. Наиболее известно устройство Пикара (1674 г.) длиной около 1,3 м. Но решающую роль в развитии инструментов для ни-

82

велирования и вообще всех приспособлений для установки геодезических инструментов в горизонтальное положение сыграло изобретение в 1662 г. парижским механиком Тевено цилиндрического (трубчатого) уровня. Нивелирные инструменты того времени уже имели выдвижной окуляр, элевационный винт и юстировочное устройство.

В1770 г. Иоганн Майер в Геттингене впервые применил для приблизительной установки инструментов в горизонтальное положение круглый уровень.

В1915 г. Леонтовский сконструировал четырехколесную тележку, снабженную прибором, вычерчивавшим профиль пройденного пути.

Конструкторы инструментов также не оставляли попыток автоматизировать приведение визирной оси нивелира в горизонтальное положение. Созданная в 1790 г. Клаустальской горной академией зрительная труба с маятниковым устройством давала возможность производить нивелирование со средней квадратической ошибкой ± 10 мм на километр хода. Только в 1946 г. Г.Ю. Стодолкевич (СССР) создал самоустанавливающийся нивелир с уровенным компенсатором, который, наконец, оказался практически работоспособным. Новую эру в нивелиростроении открыло создание в 1950 г. заводом точных приборов в Оберкохене инструмента Ni-2, снабженного вместо уровня механическим компенсатором, после чего на рынке геодезических приборов появилось большое количество различных нивелиров с компенсаторами. Они облегчили нивелирование и повысили его производительность, поэтому стали постепенно вытеснять нивелиры прежней конструкции, снабженные цилиндрическими уровнями.

Нивелир. Приборы для определения разности высот между точками принято называть нивелирами. Основная задача нивелира – с необходимой точностью и устойчиво задавать горизонтальную поверхность центром сетки нитей при вращении прибора вокруг вертикальной оси.

В маркировке нивелира первая буква Н. По стандарту в основу классификации нивелиров положены два признака: точность измерений и конструктивное исполнение. Точность в мм помещается на втором месте после буквы Н в маркировке. По точности нивелиры разделяются на высокоточные – Н-05, точные – Н-3 и технические – Н-10. Точность прибора показывает допустимую погрешность измерения превышения на 1 км двойного нивелирного хода. После точности в маркировке может присутствовать буква, показывающая наличие дополнительного устройства К – компенсатора, Л – лимба для измерения горизонтальных углов с точностью до 5′. Например, нивелир марки Н-3КЛ. По исполнению нивелиры делят на

83

нивелиры с уровнем, с компенсатором и электронные. Нивелиры с компенсатором постепенно вытесняют нивелиры с уровнем, так как их использование позволяет повысить производительность работ примерно на 10 – 15 %. Чаще всего используются компенсаторы в виде свободно подвешенных качающихся зеркал или призм. В комплект с нивелиром входят две нивелирные рейки.

–вертикальную ось круглого уровня V3 – V4,

–горизонтальную визирную ось прибора G1 – G2,

–горизонтальную ось цилиндрического уровня G3 – G4.

Основные характеристики нивелира:

– погрешность измерения превышения, мм

Зрительная труба с внутренней фокусировкой дает обратное изображение предмета. В комплект входят две нивелирные рейки РН-3000С – рейки нивелирные трехметровые, складные.

Устройство нивелира Н-3. Рассмотрим детально устройство нивелира Н-3. Прибор (рис. 2.7, а) состоит из двух частей: верхней и нижней.

84

Верхнюю часть составляют зрительная труба 13, цилиндрический уровень и призменная система, позволяющая вывести изображение концов пузырька уровня в поле зрения, расположены в коробке 1, опорная площадка 10 с осью, круглый уровень 8 с тремя юстировочными винтами (рис. 2.8, б) и винты: закрепительный 3, наводящий 4 и элевационный 9. На корпусе трубы имеется мушка 2 для грубого наведения на рейку и кремальера 11 для фокусирования. Резкого изображения сетки нитей добиваются вращением диоптрийного кольца окуляра 12. Нижняя часть – подставка 7 с тремя подъемными винтами 6, на нижние концы которых надета пружинящая пластинка 5, имеющая втулку с резьбой под становой винт штатива.

Рис. 2.7. Нивелир Н-3: а – устройство; б – поле зрения трубы

5

1

Рис. 2.8. Некоторые детали нивелира: а – контактный уровень, б – круглый уровень, в – крепления уровня и сетки нитей; 1 – юстировочные винты цилиндрического уровня; 2 – крышка; 3 – сетканитей; 4 – металлическаяпластина; 5 – крепежныевинтысеткинитей

Ампула уровня оборудована термостатом, обеспечивающим постоянную длину пузырька уровня при изменении температуры. Приведение концов пузырька уровня в оптический контакт осуществляется в два прие-

85

ма. Вначале подставка нивелира грубо приводится в горизонтальное положение по круглому уровню вращением всех трех подъемных винтов. Затем, действуя элевационным винтом, приводят в нуль-пункт пузырек цилиндрического уровня. При этом, должен соблюдаться оптический контакт, то есть две видимые половинки уровня в поле зрения трубы должны быть совмещены, как показано на рис. 2.7, б. Цилиндрический уровень имеет 4 юстировочных винта, закрытых крышкой (см. рис. 2.8, в).

Ампула цилиндрического уровня заключена в оправу, предназначенную для крепления и защиты от внешней среды. Для регулировки уровня имеются исправительные винты. У круглых уровней ампула имеет сферическую форму. На верхней поверхности ампулы нанесена одна или две концентрические окружности, центр которых – нуль-пункт круглого уровня. Осью этого уровня является радиус сферы, опущенный из нуль-пункта. Если пузырек уровня находится в нуль-пункте, то ось круглого уровня занимает отвесное положение. Для регулировки круглого уровня имеются исправительные винты.

В основу контактного уровня (рис. 2.8, а) положен цилиндрический уровень, снабженный системой призм и линз, позволяющей получать совмещенное изображение концов его пузырька для удобства работы. Пузырек уровня находится в нуль-пункте, если изображения половин двух концов пузырька совпадают по вертикали в поле зрения трубы (см. рис. 2.7, б).

Нивелирные рейки и отсчеты по ним.

Нивелиры требуют тщательной установки по уровню и постоянного контроля положения пузырька уровня при взятии отсчетов. Взятие отсчетов производится по нивелирной рейке, входящей в комплект нивелира. Рейка служит мерным инструментом при определении превышений. Она представляет собой деревянный брусок шириной 8 – 10 см и толщиной 2 – 3 см. Чтобы рейка не коробилась, ее делают двутаврового сечения. Сверху рейки покрывают белой краской, концы оковывают металлическими

пластинками. Рейки бывают цельные и склад-

Рис. 2.9. Нивелирные рейки ные (рис. 2.9).

При нивелировании технической точности применяются складные рейки. Они состоит из двух частей, скрепленных между собой шарниром. Нижняя часть металлической оковки рейки называется пяткой. Для удоб-

86

ства удерживания рейка может иметь две ручки, а для установки в отвесное положение – круглый уровень. Длина цельной рейки 3 м, складной – 3 или 4 м. Рейки называются односторонними, если деления нанесены на одной стороне, и двухсторонними при наличии делений на двух сторонах. Рейки бывают со штриховыми делениями и шашечные. При техническом нивелировании применяются рейки с шашечными делениями.

Двухсторонние шашечные рейки имеют на одной стороне поочередно черные и белые шашки (черная сторона), а на другой стороне – красные и белые (красная сторона). Цена наименьшего деления шкалы рейки (шашки) – 1 см. Дециметровые деления рейки оцифрованы. На рейках с сантиметровыми делениями первые пять шашек каждого дециметра объединены, наподобие буквы Е. Это сделано для облегчения отсчета. На черных сторонах реек нуль делений обычно совпадает с пяткой рейки. На красных сторонах реек с пяткой совпадает отсчет, больший 4000 мм (например, 4685, или 4785). Таким образом, отсчеты по двум сторонам одной и той же рейки не будут одинаковыми, а их разность – постоянная величина, называемая пяточной разностью. Это позволяет контролировать качество отсчетов. Для выполнения нивелирования технической точности подбирается комплект реек, значения пяток которых по красным сторонам совпадают. Отсчеты по рейкам берут по среднему штриху сетки нитей в миллиметрах, оценивая доли сантиметра на глаз, и записывают в виде четырехзначного числа без запятых. При этом первые две цифры – число дециметров, отсекаемых средней нитью по рейке, третья – число целых сантиметров, четвертая – миллиметры на глаз. Например, на рис. 2.7, б, отсчет по рейке будет 1844 мм.

ОтсчетпорейкеспомощьюнивелираН-3 беретсявследующемпорядке:

1.Наводят зрительную трубу нивелира на рейку, совмещая вертикальнуюнитьсеткисосьюрейки. Фокусируютизображениерейкиисеткинитей.

2.Элевационным винтом совмещают изображение концов пузырька цилиндрического уровня.

3.В момент совмещения концов пузырька уровня берут отсчет по рейке по средней горизонтальной нити с точностью до 1 мм.

Следует учитывать, что у нивелира Н-3 обратное изображение и деления в поле зрения прибора будут нарастать сверху вниз.

Поверки нивелира Н-3. Поверки нивелира Н-3 выполняют для выявления его отступлений от геометрических условий, положенных в основу конструкции прибора. Начинают их с проверки внешнего состояния ни-

велира, его комплектности и работоспособности.

87

Проверку внешнего состояния и комплектности нивелира производят осмотром. Визуально проверяют чистоту оптических деталей зрительной трубы, контрастность и четкость одновременного изображения нитей сетки, концов пузырька контактного уровня. Убеждаются в отсутствии коррозии и дефектов на приборе, которые могут затруднить работу с прибором. Комплектность нивелира должна соответствовать указанной в паспорте нивелира.

Проверку работоспособности нивелира и взаимодействие его подвижных узлов производят опробованием. При опробовании обращают внимание на исправность всех частей нивелира, отсутствие качаний в подъемных, наводящих и закрепительных винтах; плавность вращения окуляра, элевационного винта. Проверяют исправность зеркала подсветки уровня и крепления всех подвижных частей нивелира и стопорных винтов. Юстировочные винты должны занимать среднее положение. При проверке нивелира с компенсатором необходимо убедиться, что подвесная система компенсатора и демпфер работают.

Проверяют исправность штатива, убеждаются, подходит ли становой винт к нивелиру. Подтягивают все винты и гайки на штативе и проверяют его устойчивость. Для этого нивелир устанавливают на штатив и приводят его в рабочее положение; наводят трубу на рейку и запоминают по ней отсчет. Затем слегка нажимают на головку штатива, после чего опять отсчитывают по рейке. При устойчивом штативе отсчеты по рейке и положение пузырька незначительно отличаются от первоначального. Если отсчеты различаются значительно, то следует установить и устранить причины неустойчивости штатива.

Поверки геометрических условий:

Название: Проверка круглого (установочного) уровня. Геометрическое условие: Ось круглого уровня должна быть парал-

лельна оси вращения нивелира.

Ось круглого уровня – нормаль к поверхности шлифовки уровня в точке нуль-пункта.

Выполнение: Зрительную трубу устанавливают параллельно любой паре подъемных винтов. Тремя подъемными винтами приводят пузырек круглого уровня в нуль-пункт (рис. 2.10). При этом наиболее целесообразно привести пузырек уровня двумя подъемными винтами 1 и 2 на линию АВ, а затем винтом 3 в нуль-пункт.

Затем поворачивают верхнюю часть нивелира вокруг вертикальной оси на 180°. Если после этого пузырек уровня останется в центре ампулы, или не выходитзавторуюконцентрическуюокружность, тоусловиевыполнено.

88

тов уровня к нуль-пункту, а на другую половину – подъемными винтами. После этого проверку повторяют до выполнения условия.

По окончании проверки юстировочные винты надежно закрепляют.

Название: Проверка правильности установки сетки нитей зрительной трубы.

Геометрическое условие: вертикальная нить сетки при среднем положении пузырька уровня совпадает с отвесной линией, а горизонтальная нить сетки перпендикулярна к вертикальной оси нивелира.

Выполнение: На расстоянии 10 – 15 м от нивелира закрепляют отвес. Приводят нивелир в рабочее положение и наводят вертикальную нить сетки на нить отвеса. При совпадении нити отвеса с вертикальной нитью сетки нитей по всей длине условие выполняется.

При проверке правильности установки горизонтальной нити сетки, приведя нивелир в рабочее положение, наводят краем горизонтальной нити на четко видимую цель, находящуюся на удалении около 10 м от нивелира. Медленно перемещают в горизонтальной плоскости зрительную трубу наводящим винтом и следят, не отклоняется ли горизонтальная нить с выбранной цели.

Эту поверку можно провести и следующим образом: наводят правый край поля зрения трубы нивелира на рейку, установленную на расстоянии порядка 40 м и берут отсчет а по среднему штриху сетки нитей. Повернув прибор, наводят трубу на рейку левым краем поля зрения и берут второй отсчет b по среднему штриху. Если отсчеты a и b отличаются не более чем на 2 мм, то условие выполняется.

Выводы: при выполнении условия сетка нитей пригодна для визирования и снятия отсчетов.

В противном случае, если один конец вертикальной нити сетки отклоняется от нити отвеса более чем на 1 мм (определяется линейкой), или

89

разность отсчетов более 2 мм, установку сетки нитей исправляют. Для этого отвинчивают винты (под отвертку), крепящие окулярную часть, и отсоединяют ее от корпуса трубы, тем самым освобождают доступ к оправе сетки нитей. Ослабив винты 16 (рис. 2.8, в), крепящие оправу, слегка поворачивают ее до совпадения изображения вертикальной нити сетки и нити отвеса. После этого винты закрепляют и устанавливают на место окулярную часть. Проверку повторяют, чтобы убедиться, что вертикальная нить установлена правильно.

Поверка главного условия. Название: Проверка правильности ус-

тановки цилиндрического уровня при трубе (главного условия). Геометрическое условие: Ось цилиндрического уровня должна быть

параллельна оси визирования зрительной трубы.

Выполнение: Поверку правильности установки цилиндрического уровня выполняют в два последовательных этапа:

а) отвесная плоскость, проходящая через ось цилиндрического уровня, должна быть параллельна отвесной плоскости, проходящей через визирную ось зрительной трубы;

б) проекция на отвесную плоскость угла непараллельности i между осью цилиндрического уровня и визирной осью трубы должна быть не более установленной величины (по инструкции – 20").

Для проверки первого условия нивелир устанавливают в 50 м от рейки, при этом один подъемный винт подставки должен быть направлен в сторону рейки. Тщательно горизонтируют прибор, совмещая элевационным винтом концы пузырька уровня, фокусирующим винтом добиваются четкого изображения и записывают отсчет. Далее подъемными винтами дают боковой наклон оси прибора (примерно на два полных оборота винта), следя при этом, чтобы отсчет по рейке не изменялся, и отмечают положение концов пузырька уровня. Те же операции необходимо проделать при боковом наклоне оси в противоположную сторону. Если в обоих случаях концы пузырька уровня остаются в совмещенном положении или смещаются в обоих случаях в одинаковом направлении, установка уровня считается правильной.

Проверку второго условия следует проводить одним из следующих способов:

–нивелированием вперед (рис. 2.11);

–нивелированием из середины в сочетании с нивелированием впе-

ред (рис. 2.12).

90