РАЗРАБОТКА ПРИБОРА
Необходимость определения превышения одной точки земной поверхности над другой появилась очень давно и была вызвана жизненными потребностями человека. Впервые нивелирование стало применяться в Египте и Месопотамии, так как здесь произ-водились работы по орошению и строительству каналов, требую-щие соблюдения определенного уклона. Приборы для геометриче-ского нивелирования того времени были несложными. Отвес и поверхность воды определяли вертикальное и горизон-тальное направления. Простейшую линейку и диоптры использо-вали для визирования на цели. Наиболее интересным представляется "Хоробатес" Витрува, который в известной мере использовал для этого принцип сообщающихся сосудов и подвижные щели для наведения на предмет. С древних времен известно нивелирование в Китае, где в XI-X вв. до н. э. с этой целью автомати-зировал приведение линии визирования в горизонтальное положение, применяли рейки с подвижными целиками. Применялось нивелирование также в Греции и арабских странах. Героном в трактате "О диоптрах" описан прибор для нивелирования, состоя-щий из изогнутой трубки, заполненной водой. Позже он был видо-изменен и назван гидростатическим нивелиром. Прин-цип его остался тот же, только трубка (длиной 1 м и диаметром 4 см) была изготовлена из металла и имела посередине гильзу, для насадки на цапфу штатива, а в загнутые перпендикулярно концы трубки вставляли два стеклянных цилиндра одинакового диаметра. Визировали поверх подкрашенной жидкости или менис-ков ртути, заполняющих сообщающиеся сосуды. Наиболее удоб-ным и практичным был гидростатический нивелир, сконструиро-ванный на принципе закрытых сообщающихся сосудов, которые имели либо* округлую, либо прямоугольную форму и могли устанавливаться в рабочее положение на штативе (в виде шеста) или свободно подвешиваться. Способом гидростатического нивелирования с успехом пользовались римляне при прокладке большого наземного водопровода, о существовании которого гово-рят сохранившиеся до настоящего времени акведуки. Следует отметить, что, несмотря на примитивность всех способов и прибо-ров для геометрического нивелирования, точность выполнения работ была достаточно высока для того времени. Например, Херри указывает, что при археологических раскопках обнару-жены пирамиды, подножия которых имеют разницу по высоте 2 см на 90 м длины, т. е. точность нивелирования составляла 0,02 %. Примером умелого проведения точного нивелирования может служить канал между Нилом и Красным морем, который был построен в 250 г. до н. э. и использовался даже спустя 600 лет. Не менее убедительный пример - это канал, соединяю-щий Красное и Средиземное моря. Он был сооружен за 6 веков до начала нашей эры. Применялся в то время нивелир в виде шести-метрового желоба, наполненного водой. Для определения высот точек к концам желоба подвешивались отвесы.
С развитием общества и всесторонней хозяйственной деятель-ности повышались требования к точности и скорости производства нивелирных работ. В связи с этим развивались и совершенствова-лись конструкции приборов. Ввиду того, что более быстрый темп работ обеспечивали в то время гидростатические нивелиры,.позво-ляющие автоматически устанавливать линию визирования в гори-зонтальное положение, то именно они получили широкое распро-странение и дальнейшее развитие. Основные усовершенствования этих нивелиров касались повышения точности визирования. Уже в средние века нашей эры появляется новый гидростатический нивелир с самоустанавливающейся линией визирования, отличаю-щийся более высокой точностью.
Все гидростатические нивелиры позволяли не только автоматически устанавливать визирную ось в горизонталь-ное положение, но и обладали еще одним достоинством, а именно, они не нуждались в поверках.
Не меньший интерес представляют так называемые маятнико-вые нивелиры. Один из них представляет собой метал-лическую рамку, подвешенную как свободный маятник на крючке шеста, служащего в качестве штатива. На рамке имеются диоптры для визирования и шкала уклонов (в тысячных) для определения или выноса в натуру уклонов. Этот нивелир имел одну основную поверку, которая выполнялась двойным нивелированием. Для ис-правления ошибки диоптры делались подвижными. Во втором типе маятникового нивелира в качестве горизонтальной нити для отсчитывания по рей-ке использовалось повернутое на 90° изображение отвеса. Поворот изображения получался за счет применения специаль-ной призмы. Поскольку отвес занимает всегда вертикальное положение, то его изображе-ние будет также всегда гори-зонтальным, позволяющим вы-полнять геометрическое ниве-лирование. Применение подоб-ных нивелиров обеспечивает точность около 0,5 м на 1 км.
Изобретение в 1609 г. зрительной трубы означало также прогресс в разработке нивелиров. Вместо маятниковых приборов с диоптрами начинают появляться маятниковые нивелиры со зритель-ной трубой. Например, маятниковый ватерпас Пикара состоял из зрительной трубы и коробки с маятни-ком, имевшим длину 1,3 м. Под зрительной трубой находился дугообразный стержень, который скользил по опорам, давая возможность привести маятник в отвесное положение и тем самым привести трубу в горизонтальное положение. Опоры укреп-лялись на переносной подставке. Таким прибором можно измерять углы наклона визирной линии, пользуясь транспортиром с минут-ными делениями. Нивелиры подобного типа создавались и в Рос-сии. При Петре I существовала оптическая мастерская, занимав-шаяся изготовлением геодезических приборов. В 1748 г. в "Санкт-петербургских ведомостях" был помещен "Реестр тем инструмен-там, которые в инструментальной палате при Академии Наук делаются и по нижеописанной цене продаются", из которого вид-но, что наряду с другими инструментами мастерская выпускала в этот период "ватерпасы с прешпективной трубкой в футляре" (т. е. нивелиры). Зрительная труба приводилась в горизонтальное положение при помощи отвеса или маятника. В обоих приборах почти полностью была устранена автоматическая установка линии визирования в горизонтальное положение. В этом отношении вы-годно отличаются нивелиры Ремера (рис. 3,6) и 1790 года (рис. 3,в). Благодаря наличию маятниковой подвески зрительной трубы они обладали известными преимуществами. Кроме того, для предохранения от воздействия внешних условий и устранения колебаний зрительной трубы нивелиры были помещены в кожух и снабжены .специальными жидкостными демпферами. У таких нивелиров возникает необходимость дополнительной юстировки прибора, так как из-за смещения окуляра при перефокусировке происходит смещение центра тяжести системы.
Дальнейшие исследования привели к созданию приборов с ис-кусственным горизонтом. В них зрительная труба устанавливается в горизонтальное положение по индексу, в качестве которого ис-пользуется зеркальное изображение, получаемое при отражении от поверхности налитой в сосуд ртути. Например, в нивелире Клода и Дрианкура (1900 г.) горизонтальность визирной линии достига-лась совмещением прямого и обратного изображений источника света или освещенной щели. Пентапризма перекрывала половину поля зрения, позволяя наблюдать одновременно и отсчетный индекс, и рейку. В ртутном нивелире Вильда горизонталь-ность визирного луча контролировалась по совпадению прямого и отраженного изображений сетки. Большая чувствитель-ность к вибрациям и быстрое окисление поверхности ртути не позволили использовать принцип искусственного горизонта на практике. К тому же этот тип нивелиров не полностью автомати-зировал, и совмещал процесс наблюдений объекта и контроля гори-зонтальности линии визирования.
Необходимость сооружения сложных промышленных, граж-данских и других объектов, а также различные исследования дви-жений земной коры требовали все более высокой точности выпол-нения нивелирных работ. В этих условиях вопрос об автоматическом приведении линии визирования в горизонтальное положение стоял менее остро, и потому в практику геодезических работ проч-но вошли нивелиры с цилиндрическими уровнями, изобретенными еще в 1660 г. и позволявшими с высокой точностью приводить визирную ось зрительной трубы в горизонтальное положение. Уровенные нивелиры нашли широкое,применение в практике топографо-геодезических работ. Теперь задача состоит в том, чтобы автоматизировать процесс приведения линии визирования в гори-зонтальное положение, сохранив или даже повысив при этом точ-ность. Уже с 30-х годов XX в. учеными, инженерами, конструкто-рами принято это новое направление в автоматизации приборов для производства геометрического нивелирования. В основе нового направления лежит принцип автоматической установки в горизон-тальное положение не всего нивелира или его зрительной трубы, а только линии визирования. Для таких целей используются спе-циальные устройства, называемые компенсаторами или стабили-заторами и отличающиеся легкостью, компактностью и удобством. Компенсаторы автоматически исключают даже незначительные отклонения визирной оси от горизонтального положения, вызван-ные внешними условиями, что устраняет трудоемкий и утомитель-ный процесс точной установки уровня, освобождает наблюдателя от необходимости контроля и корректирования положения пузырь-ка уровня во время отсчитывания. В этом основное преимущество нивелиров с самоустанавливающейся линией визирования. Полу-чаемая на практике точность подтверждает правильность выбран-ного пути в вопросе автоматизации нивелирных работ.
Основоположником теории стабилизации визирного луча по праву можно считать советского ученого проф. В.. Н. Чуриловского. С 1937 по 1940 г. им было теоретически разработано не-сколько типов стабилизаторов, послуживших основой для даль-нейших исследований в этой области. Приоритет советских ученых в области конструирования нивелиров с компен-саторами подтверждается также тем, что в СССР уже в 1945 г, был создан и внедрен в практику нивелир с самоустанавливаю-щейся линией визирования НС-2, предложенный старшим научным сотрудником Центрального научно-исследовательского института геодезии, аэросъемки и картографии Г. Ю. Стодолкевичем.
К настоящему времени в различных странах разработано их серийно выпускается несколько десятков типов нивелиров с ком-пенсаторами. Многие из них характеризуются очень высокой точ-ностью, компактностью и оригинальностью примененного способа компенсации угла наклона зрительной трубы.
Дальнейшее развитие получили теоретические исследования. В СССР впервые в мировой практике разработаны и исследованы подвески на шарикоподшипниках и многоступенчатые (много-звенные) компенсаторы, позволившие расширить диапазон ком-пенсации и о ней. Разработана методика расчета магнитных демпферов. Народное предприятие "Карл- Цейсс" (ГДР) выпускает нивелиры с компенсаторами, отличающиеся высокой степенью их сервисного исполнения и возможностью визирования на заднюю и переднюю рейки с одного места наблюдателя. Большой вклад в развитие двустороннего визирования и теорию жидкостных компенсаторов внесен советскими учеными Н. А. Гусевым, Ю. И. Беспаловым.
Современный этап развития нивелиров с компенсаторами характеризуется дальнейшей автоматизацией процессов визирова-ния (лазерные нивелиры), отсчитывания (кодовые нивелиры) и т. п.
В настоящее время очень важно в краткие сроки выполнять геодезические работы. Семейство советских нивелиров, собранных на основе нивелира Н-3 очень часто не удовлетворяют современным требованиям и, естественно, им достаточно трудно конкурировать с зарубежными фирмами-изготовителями таких приборов (Leica, Nicon, Carl-Zeiss и др.). Поэтому перед собой я ставлю задачу по усовершенствованию советского нивелира Н-3КЛ.
Рассмотрим вначале основные характеристики прибора.
Нивелир Н-3КЛ- точный нивелир с компенсатором и лимбом, применяемый в точном нивелировании 3-го и 4-го классов.
Действующий ГОСТ предусматривает следующие основные параметры для нивелира Н-3КЛ:
1) среднюю квадратическую ошибку на станции не более 2мм при расстоянии от нивелира до реек 100м;
2) увеличение зрительной трубы не менее 30*;
3) наименьшее расстояние визирования не более 2м;
4) коэффициент нитяного дальномера 100+1%;
5) цену деления уровня на 2мм: установочного 10``+2``, уровне при трубе 15``+1,5`` ;
6) массу нивелира не более 3кг;
Изготовление геодезического точного прибора такого как нивелир достаточно трудоёмкий процесс. Как правило такие приборы разрабатываются в научно-исследовательских институтах и затем изготовляются на заводах. Я не ставлю своей целью разработать принципиально новый прибор, так как это практически невозможно, но я постараюсь внести свои дополнения по усовершенствованию уже существующего нивелира Н-3КЛ.
Рассмотрим некоторые из них:
A) Придя на станцию и приведя нивелир в рабочее положение, мы наводим зрительную трубу на рейку, чтобы снять отсчёт, но: когда мы берём по рейке отсчёт мы на глаз определяем количество миллиметров, так как мельчайшее деление рейки 1 см- 10 мм и, естественно, можем допустить грубую ошибку. Если мы разобьём данное деление -1см на 10 частей, то тогда мы сможем определять точное количество миллиметров и даже ? деления миллиметра. На основе этого я предлагаю оснастить прибор специальным микрометром, встроенным в зрительную трубу и самостоятельно совмещающимся с этим делением(1см)
B) Большое значение при работе с нивелиром имеют уровни и компенсаторы. В настоящее время в нивелирах используют как жидкостные, так и электронные уровни. В нивелире Н-3КЛ при его изготовлении используют жидкостной уровень. То есть для того, чтобы привести его в рабочее положение необходимо с помощью винтов вывести пузырёк в середину, на что приходиться затрачивать определённое время. Заменив жидкостной уровень электронным в нивелире Н-3КЛ, мы добьёмся меньшей потери времени. Это в свою очередь повысит производительность труда.
C) Рассмотрим компенсаторы. Как правило их работа зависит от многих факторов. Чувствительные элементы компенсаторов под влиянием внешних условий, возникающих, например, при наведении нивелира на рейку, под действием на него ветра , при вибрациях почвы и т.д., подвергаются колебаниям , что затрудняет производить точные отсчёты по рейке, а при сильном ветре и работе в заводских цехах незатухающие колебания чувствительных элементов не позволяют выполнить нивелировку . Поэтому нивелиры должны иметь неплохие гасители (успокоители) колебаний - демпферы .В нивелире Н-3КЛ, как и во многих других используется воздушный демпфер, который позволяет достаточно быстро справляться с небольшими вибрациями, обусловленными прохождением поездов, автомобилей. Я предлагаю заменить в нивелире Н-3КЛ воздушный демпфер на магнитноиндукционный и подвесить оптический блок компенсатора на скрещивающихся нитях. Это вызовет хорошее демпфирование.
D) Современные темпы топографо-геодезического развития производства требуют резкого ускорения нивелирных работ. Решение этой задачи возможно лишь при условии автоматизации техники. Поэтому я предлагаю оборудовать нивелир Н-3КЛ лазерным устройством. В принципе любой нивелир с компенсатором можно переоборудовать в лазерный, если совместить луч лазера с геометрической осью нивелира. Преимущества лазерных нивелиров следующие:1) большая дальность действия (до нескольких километров); 2) возможность работы при плохой погоде и освещённости ; 3) возможность автоматизации контроля по высоте при монтажных, строительных и других работах ; 4) возможность задания в натуре опорной горизонтальной плоскости путём сканирования лазерного луча. В настоящее время используются две схемы введения лазерного луча в зрительную трубу: с помощью геометрической и волоконной оптики.
E) Кроме этого нивелир можно оснастить специальным считывающим устройством с модулем памяти, рейки соответственно нужно покрыть специальным материалом- светочувствительным слоем.
Можно придумать и другие приспособления, например, устройство с помощью которого нивелир сам устанавливается в рабочее положение и затем зрительная труба наводится на рейку, покрытую светочувствительным слоем.
Все те дополнения, предложенные мною, требуют больших финансовых вложений. Но в свою очередь они оправдывают вложенные в них деньги.


Desinged by y@co
All rights are served
Hosted by uCoz