Элевационный винт нивелира предназначен для

Оптические нивелиры, классификация и их устройство

Одними из самых известных и популярных в своей области, простых в обращении и точных геодезических приборов считаются оптические нивелиры. Основной принцип, задействованный в конструкциях вообще всех видов нивелиров, заключается в передаче на расстояние горизонтального луча, необходимого для его практического применения. Этот принцип применяется через осуществление взаимосвязи геометрических условий и оптической системы в конструкции прибора. По всей видимости, и способ измерений с применением этого инструмента получил его наименование, а именно геометрическое нивелирование.

Оптические нивелиры позволяют нам:

• измерять превышение между точками относительно горизонтального луча, проходящего через визирную ось трубы;
• определять отклонение от горизонтального луча измеряемых плоскостей и всевозможных поверхностей;
• устанавливать высотные отметки точек относительно отсчетной системы координат (абсолютной, условной).

Классификация оптических нивелиров

В современном приборостроении и геодезии соответственно выпускаются и применяются оптические нивелиры, которые можно позволить классифицировать на два вида:

• оптико-механические;
• оптико-электронные, еще их называют цифровыми.

И в тех и других устройствах существующие системы наблюдения и ориентирования имеют одинаковую связь между оптикой и геометрией. Ориентирование обеспечивается через визирную ось относительно отвесной линии. Наблюдение осуществляется через зрительную трубу и механизм наведения. А вот отличие между ними заключается в отсчетных системах соответственно визуальной и электронной.

Оптические нивелиры также различают по степени точности. Среди них можно выделить:

• высокоточные;
• точные;
• технической точности.

В соответствии с государственными стандартами к высокоточной группе относятся приборы со среднеквадратической погрешностью не более 0,5мм при проведении одного километра двойного хода. К ним относятся ранее изготовленные оптико-механические нивелиры Ni-002 (Цейс), Н-0,5 и современные цифровые, например SDL-1X (SOKKIA).

К точным нивелирам относятся инструменты со среднеквадратической погрешностью (СКП) до 3-х мм и наименованиями Н-3, Н-3К и многие современные марки ведущих иностранных производителей.

Технической точности считаются инструменты со среднеквадратической ошибкой не более десяти миллиметров, например, такой, как Н-10КЛ.

Еще, все производимые сегодня оптические нивелиры в зависимости от приведения визирного луча к горизонтали можно разделить на два вида:

• с цилиндрическим установочным уровнем визирной оси, которая выводится в горизонтальное положение так называемым элевационным винтом, соединенным с уровнем (Н-3);
• с самоустанавливающимся визирным лучом при помощи компенсаторов, автоматически выставляющих его в горизонтальную плоскость (Н-3К).

Все современные приборы сейчас изготавливаются большей частью с компенсаторами, позволяющими увеличивать производительность труда полевых работ.

Устройство оптического нивелира

Классическое устройство нивелира можно показать на такой широко используемой марке приборов как Н-3. В его составе необходимо выделить основные узлы, показанные на рисунке.

Рис. 1. Устройство.

На рисунке можно увидеть следующие детали и узлы оптического нивелира:

• зрительная труба, предназначенная для наведения на рейку (1);
• окуляр, часть оптической системы, предназначенная для наблюдения (2);
• объектив, часть оптической системы, предназначенная для получения увеличенного изображения объектов (3);
• трегер или другими словами подставка для размещения в нем самого прибора (4);
• подъемные винты, служащие приведению инструмента в рабочее состояние, совпадающее с отвесной линией (5);
• пластина, нижняя часть подставки, предающая жесткости всей ее конструкции и устойчивости подъемных винтов (6);
• закрепительный винт прибора, предназначенный для фиксации зрительной трубы после грубого наведения на рейку (7);
• цилиндрический уровень, соединенный с трубой и служащий для установления визирного луча в горизонтальное положение (8).
• место установки юстировочных винтов, предназначенных для исправления положения цилиндрического уровня (9);
• визир, расположенная сверху трубы деталь для ориентировочного наведения на рейку (10);
• фокусировка (кремальера), предназначенный для фокусирования (придания резкости изображению) механизм, (11);
• наводящий (микрометренный) винт, служащий точному наведению зрительной трубы на рейку (12);
• круглый уровень, показывающий положение прибора относительно отвесной линии (13);
• юстировочные винты круглого уровня, для исправления положения уровня (14);
• элевационный винт, выводящий цилиндрический уровень на середину и связывающий его с визирным лучом (15).

Основные геометрические условия

Для работоспособности оптического нивелира требуется соблюдение геометрических условий, предусмотренных конструкцией самого прибора. Геометрическая схема прибора, в упрощенном виде представлена на приведенном ниже рисунке.

Рис.2. Геометрическая схема.

Элементы геометрической схемы представляют совокупность невидимых вертикальных и горизонтальных линий основных узлов и деталей инструмента:

• (N – N) – вертикальная линия, представляющая ось круглого уровня;
• (V – V) – линия, изображающая вертикальную ось вращения прибора;
• (Z – Z) – визирный луч, проходящий через центр окуляра и объектива;
• (L – L) – горизонтальная ось цилиндрического уровня;
• (K – K) — вертикальная ось автоматического компенсатора.

Основные детали и конструкции оптических нивелиров геометрически связаны между собой и их элементами (осями). Все конструктивные геометрические условия приборов проверяются во время проведения поверок нивелира. К ним относятся:

• поверка круглого уровня, ее условие состоит в параллельности оси круглого уровня и невидимой оси вращения прибора;
• поверка сетки нитей, ее условие состоит в вертикальности оси сетки нитей;
• поверка по определению угла і, суть которой заключается в параллельности визирного луча и горизонтальной оси цилиндрического установочного уровня;
• поверка компенсатора, ее условие состоит в горизонтальности визирного луча.

Дополнительные принадлежности

Для проведения измерений с помощью оптических нивелиров используются дополнительные принадлежности:

• штативы;
• рейки.

Штативы необходимы для установки и жесткого крепления конструкции прибора, приведение его в рабочее положение и собственно выполнение измерений. Нивелирные штативы бывают деревянные, фиберглассовые, алюминиевые и обычно они легкие по весу и с меньшими головками крепления.

Рейки могут быть различной длины, изготовлены из разного материала с разграфленной шкалой на их поверхностях. В обозначения нивелирных реек, например РН-3-3000СП, входят:

• сокращенное наименование (РН – рейка нивелирная);
• первая цифра (3), означающая точность измерений в мм;
• второе число (3000) означает длину в мм;
• СП – сокращение означающее: складную конструкцию и прямое изображение.

Существуют различные виды реек:

• деревянные складные двухсторонние;
• алюминиевые выдвижные, с накладным круглым уровнем ;
• инварные, повышенной точности.

Длина реек колеблется в пределах от одного до пяти метров. Деления на них бывают миллиметровые с одной стороны и сантиметровые Е-образные с другой или с обеих сторон сантиметровыми одновременно, но с чередованием цвета (красная, черная). Они могут быть штриховыми и с инварной проволокой для цифровых нивелиров. Вся градуировка на рейках, нанесенная краской, перед вводом ее в эксплуатацию должна быть исследована и соответствовать требованиям предельных отклонений метрового отрезка и длин делений шкал.

Как устроен нивелир

Согласно ГОСТ 10528 — 76 в нашей стране выпускаются нивелиры трех типов: высокоточные с ошибкой измерения превышения не более 0.5 мм на 1 км хода, точные с ошибкой измерения превышения 3 мм на 1 км хода и технические с ошибкой измерения превышений 10 мм на 1 км хода.

Нивелиры всех типов могут выпускаться либо с уровнем при трубе, либо с компенсатором наклона визирной линии трубы. При наличии компенсатора в шифре нивелира добавляется буква К, например, Н-3К. У нивелиров Н-3 и Н-10 допускается наличие горизонтального лимба; в этом случае в шифре нивелира добавляется буква Л, например, Н-10Л.

Нивелир с уровнем при трубе изображен на рис.4.33.

Зрительная труба и уровень при ней являются важнейшими частями нивелира.

Элевационный винт служит для приведения визирной линии трубы в горизонтальное положение. С его помощью поднимают или опускают окулярный конец трубы; при этом пузырек уровня перемещается и когда он будет точно в нуль-пункте, визирная линия должна устанавливаться горизонтально.

1 — зрительная труба; 2 -цилиндрический уровень при трубе;
3 — элевационный винт; 4 -установочный круглый уровень (на рисунке не показан);
5,6 — закрепительный и микрометренный винты азимутального вращения;
7 -ось;
8 -подставка с тремя подъемными винтами.

Цилиндрический уровень обычно контактный; изображение контактов пузырька передается системой призм в поле зрения трубы, что очень удобно, так как наблюдатель видит сразу и рейку, и уровень.

Для нивелира с уровнем при трубе выполняются три поверки.

1. Ось цилиндрического уровня и визирная линия трубы должны быть параллельны и лежать в параллельных вертикальных плоскостях — это условие называется главным условием нивелира с уровнем при трубе. Первая часть главного условия проверяется двойным нивелированием вперед. На местности забивают два колышка на расстоянии около 50 м один от другого. Нивелир устанавливают над точкой А так, чтобы окуляр трубы находился на одной вертикальной линии с точкой (рис.4.34-а). От колышка до центра окуляра измеряют высоту инструмента i1. Затем рейку ставят в точку В, наводят на нее трубу нивелира, приводят пузырек уровня в нуль-пункт и берут отсчет по рейке b1. Затем нивелир и рейку меняют местами, измеряют высоту инструмента i2, приводят пузырек уровня в нуль-пункт и берут отсчет по рейке b2 (рис.4.34б).

Пусть главное условие нивелира не выполняется, и при положении пузырька уровня в нульпункте визирная линия не горизонтальна, а составляет с осью уровня некоторый угол i. Тогда вместо правильного отсчета b0 1 получается ошибочный — b1. Ошибку отсчета обозначим x, и превышение точки В относительно точки А будет равно:

При положении нивелира в точке В превышение точки А относительно точки В:

Но h = — h’, поэтому

i1 — (b1 + x) = — [i2 — (b2 + x)].

x = 0.5*(i1 + i2) — 0.5*(b1 + b2). (4.59)

Если x получается больше 4 мм, необходимо выполнить юстировку уровня, т.е. устранить угол i. Для этого элевационным винтом наклоняют трубу нивелира до тех пор, пока отсчет по рейке не будет равен правильному отсчету:

при этом пузырек уровня уйдет из нуль-пункта. Исправительными винтами уровня приводят пузырек в нуль-пункт и повторяют поверку заново. Полная программа поверки главного условия включает еще проверку параллельности вертикальных плоскостей, проведенных через визирную линию трубы и ось уровня.

При нивелировании строго из середины ошибка отсчета по рейке из-за невыполнения главного условия нивелира не влияет на величину измеряемого превышения (рис.4.35)

2. Ось круглого установочного уровня должна быть параллельна оси вращения нивелира. Приводят пузырек круглого уровня в нуль-пункт, затем поворачивают нивелир по азимуту на 180o. Если пузырек отклонился от нуль-пункта, то на половину отклонения его перемещают с помощью подъемных винтов и на половину — исправительными винтами круглого уровня.

Существует и другой, более надежный способ поверки круглого уровня: сначала тщательно устанавливают ось вращения нивелира в отвесное положение с помощью элевационного винта и цилиндрического уровня при трубе, затем исправительными винтами круглого уровня приводят его пузырек в нуль-пункт.

3. Горизонтальная нить сетки нитей должна быть перпендикулярна оси вращения нивелира, т.е. быть горизонтальной. Рейку ставят в 30 — 40 м от нивелира и закрепляют ее, чтобы она не качалась. Затем берут отсчеты по рейке при трех положениях ее изображения: в центре поля зрения, слева от центра и справа. Если отсчеты отличаются один от другого более, чем на 1 мм, то сетку нитей нужно развернуть.

Предполагая, что сетки нитей строго перпендикулярны, можно проверить вертикальность вертикальной нити. Для этого в 20 м от нивелира подвешивают отвес, наводят на него трубу и проверяют совпадение вертикальной нити сетки с нитью отвеса.

Важнейшими характеристиками нивелира, определяющими точность измерения превышений, являются увеличение зрительной трубы и цена деления цилиндрического уровня при трубе. По этим характеристикам определяет пригодность нивелира для выполнения работ заданной точности. Чтобы получить численные значения увеличения трубы и цены деления уровня, выполняют соответствующие исследования нивелира.

Поверки и юстировки нивелира

При многообразных видах научной и производственной деятельности необходимо знать высотные координаты пунктов местности и превышения между ними. Различные способы измерения превышений между точками называются нивелированием. Чаще всего нивелирование осуществляется при помощи нивелиров.

Нивелир – это геодезический инструмент, предназначенный для определения разности высот двух точек горизонтальным визирным лучом по вертикально установленным в этих точках рейкам.

Данная модель нивелира предназначена для технического нивелирования со средней квадратической ошибкой не более 10 мм на 1 км двойного хода. На рисунке 38 представлено устройство нивелира 3Н5Л.

Нивелир имеет оптическую систему позволяющую получать прямое изображение. В комплекте с ним поставляются две рейки с прямой оцифровкой. Отсчёт считывается по средней горизонтальной нити сетки нитей.

Нивелирные рейки обычно представляют собой деревянные бруски цельные или складные, длиной 1.5; 3 или 4 м и толщиной 2‑3 см. Кроме того, рейки бывают телескопические до пяти метров длиной из алюминиевого сплава.

Допускается изготовление реек из пластиков, металлов и других материалов. Нивелирные рейки могут быть с односторонней и двухсторонней оцифровкой.

Нивелирные рейки РН3 – это деревянные складные бруски, длиной 3 м и толщиной 2–3 см. На рейках с обеих сторон нанесены сантиметровые шашечные деления. Арабскими цифрами подписываются значения дециметра.

На одной стороне чередуются деления черного и белого цветов (черная сторона), а на другой стороне – красного и белого цветов (красная сторона).

Для облегчения снятия нивелирных отсчётов первые пять сантиметровых делений (шашек) каждого дециметра объединены в виде буквы Е.

На чёрных сторонах реек счёт шкалы начинается от нуля, а на красных сторонах от произвольного числа, не повторяющегося на черной стороне, например от отсчета 4687 мм. В результате разность отсчётов по обеим сторонам пары реек при одном и том же горизонте нивелира является постоянной величиной, позволяющей контролировать отсчёты по рейкам и точность определения превышения на станции двукратным измерением.

Рисунок 38 – Устройство нивелира 3Н5Л:

1 – окуляр; 2 – колпачок; 3 – крышка; 4 – корпус; 5 – кремальера; 6 – визир;
7 – зрительная труба; 8 – бленда; 9 – наводящий винт; 10 – трегер;
11 – подставка; 12 – подъёмный винт; 13 – элевационный винт

Поверки и юстировки нивелира

При внешнем осмотре нивелира проверяют плавность вращения зрительной трубы, наводящего и подъёмных винтов, фокусирования сетки и зрительной трубы, исправность уровня, юстировочных винтов, работу элевационного винта.

Нивелир 3Н5Л поверяется на следующие геометрические условия.

Ось круглого уровня должна быть параллельна оси вращения нивелира.

Действуя подъёмными винтами подставки, пузырёк круглого уровня приводят в нуль-пункт, затем верхнюю часть нивелира поворачивают на 180° вокруг оси. Если пузырёк остался в нульпункте, то условие выполнено. Если же пузырёк отклонился, вращением юстировочных винтов его возвращают к центру ампулы на половину дуги отклонения, а окончательно совмещают с нульпунктом подъёмными винтами подставки. После этого поверку повторяют.

Горизонтальный штрих сетки нитей должен быть перпендикулярен оси вращения нивелира.

Зрительной трубой визируют на рейку, установленную в 50–60 метрах от нивелира. Вращая зрительную трубу вокруг вертикальной оси, следят, изменяется ли отсчёт при перемещении изображения рейки от одного края поля зрения к другому. Если отсчёт изменяется больше чем 1 мм, диафрагму с сеткой поворачивают в требуемое положение, ослабив крепящие её винты. Необходимо отметить, что юстировка для данной поверки выполняется в мастерской.

Ось цилиндрического уровня должна быть параллельна оси зрительной трубы.

Это условие, называемое главным, поверяют разными способами. Рассмотрим один из них.

Нивелирование одной и той же линии методом «вперед» и «из середины». Поверку выполняют в следующем порядке. На местности с помощью кольев или костылей закрепляют линию длиной 70–80 м (рисунок 39).

Прибор устанавливают на одинаковом расстоянии от концов линии, тщательно приводят пузырёк цилиндрического уровня на середину и делают отсчёты а₁ и b₁ по двум противоположно стоящим рейкам.

Затем определяют превышение h по формуле:

Рисунок 39 – Поверка основного геометрического условия нивелира

Устанавливают прибор примерно в створе линии АВ на расстоянии 3–5 м от точки В, приведя пузырёк цилиндрического уровня на середину, делают отсчёт b₂, который принимают за истинный. Вычисляют теоретическое значение отсчёта по рейке, установленной в точке А, то есть

Если отсчёт по рейкам со станции 2 совпадает с отчётом а₂ или будет отличаться от него не более чем на 4 мм, то условие можно считать выполненным. В противном случае путём вращения элевационного винта устанавливается средний штрих сетки нитей на отсчёт а₂, после чего приводится пузырёк уровня на середину, действуя вертикальными юстировочными винтами цилиндрического уровня. После юстировки поверку повторяют.