Конструкции нивелиров с компенсаторами. Исследования работы компенсатора

Содержание

Введение 3
1. Современное применение компенсаторов в приборах 4
2. Назначение и принцип работы компенсатора 8
3. Исследование компенсаторов 12
3.1 Поверки и исследования нивелиров с
компенсаторами……………………………………..……………………...12
3.2 Определение степени компенсации углов наклона визирной
оси……………………………………………..13
Заключение 16
Список литературы 18

Введение

В данной работе мы изучили причины создания и применения такой части геодезических приборов как компенсаторы. Необходимость применения компенсаторов угла наклона возникла из за необходимости точности геодезических работ.
Перед внедрением компенсаторов угла наклона использовались цилиндрические уровни, которые и до сих пор применяются в геодезических приборах для установки частей прибора в горизонтальное или вертикальное положение или для измерения малых углов отклонения элементов прибора от горизонтального или вертикального положения. И у компенсаторов угла наклона и у цилиндрических уровней имеются и достоинства и недостатки, однако, компенсаторы имеют большие преимущества перед цилиндрическими уровнями. При использовании автоматических компенсаторов угла наклона исчезает необходимость постоянного контроля, как для цилиндрического уровня, за пузырьком уровня отклонения прибора от горизонтального или вертикального положения, что делает работу за прибором медленной и менее стабильной. Поэтому использование компенсаторов угла наклона значительно увеличивает точность, скорость и стабильность геодезических работ. Но, как и любой прибор, компенсатор может давать сбой в своих рабочих функциях, и устранить поломку на месте будет невозможно.
1. Современное применение компенсаторов в приборахНивелир с компенсатором нельзя назвать последней разработкой – первый образец подобного геодезического оборудования был построен еще в 40-х годах прошлого века. Однако, в последующие годы данное оборудование прошло ни одну модификацию прежде чем превратиться в современный нивелир. При использовании механических нивелиров не возникает необходимости быстрого гашения колебаний, при использовании же автоматических нивелиров все происходит с точностью до наоборот. И справляться с этим помогает именно система гашения колебаний. В исправном нивелире зеркало и призма постоянно сохраняют горизонтальное положение, позволяющее обеспечивать высокое качество нивелирной съемки. При этом на прибор действует внешнее окружение: произвольные наклонения прибора (просевшие ножки, неаккуратно задетый штатив и т.д.), колебания почвы (если съемка проводится вблизи железных дорог, метро и др.), сильные порывы ветра и прочее. В каждом из этих случаев включается система гашения колебаний. Это позволяет не только обеспечить высокое качество измерения, но и ускорить процесс съемки – свободно подвешенное внутри аппарата зеркало при воздействии извне будет довольно долго колебаться до момента полной остановки, если не использовать компенсацию. Демпфер в данном случае может быть магнитным или воздушным, и выбор нивелира в первую очередь зависит от требований к съемке.
Появились автоматические нивелиры - появилась и потребность быстро гасить колебания маятниковой подвесной системы компенсатора. Колебания, которые необходимо гасить - это механические колебания призмы или зеркала между призмами - в зависимости от конструкции компенсатора.
Рисунок 1. Нивелир 3Н3КЛ Рисунок 2. Нивелир С410
Например, призма подвешивается в нивелирах 3Н3КЛ (рис. 1) производства УОМЗ, а зеркало - в нивелирах C410 производства фирмы SOKKIA (рис. 2).
Первый в мире нивелир с компенсатором был изготовлен в СССР в 1946 году.
К высокоточным нивелирам с компенсатором относятся такие нивелиры как Ni002, Ni007, HC2. Это удобные нивелиры. Они повышают производительность труда на 10-15% по равнению с нивелирами с уровнем и облегчают труд нивелировщика. Главная особенность нивелиров с компенсаторами заключается в том, что приведение визирной оси нивелира в горизонтальное положение производится не с помощью контактного уровня, а с помощью специального компенсатора. Этот компенсатор по существу работает в автоматическом режиме т. е. линия визирования на каждой станции как бы самоустанавливается в горизонтальное положение.
В наше время выпускается около 50 типов нивелиров с компенсаторами разных классов точности.
Нивелировщики – практики предпочтение отдают нивелирам с компенсаторами. Очень им нравится нивелир Ni002.
Рисунок 3. Оптическая схема нивелира с компенсатором Ni002
1 — клинообразное защитное стекло; 2 — сетка нитей;
3 — объектив нивелира с компенсатором; 4 — зеркало компенсатора;
5 — переключатель компенсатора; 6 — призма подсветки;
7 — жесткий индекс микрометра; 8 — объектив нивелира;
9 — шкала оптического микрометра; 10 — зеркало;
11 — зеркало установочного уровня; 12 —установочный уровень.
Рисунок 4. Нивелир с компенсатором Ni002
Чувствительным элементом нивелира с компенсатором Ni002 (рис. 4) является специальное двустороннее плоское зеркало, которое находится в подвешенном состоянии в виде маятника в сходящемся пучке лучей, демпфер — воздушный. Благодаря возможности вращения зеркала на 180° вокруг своей вертикальной оси исключаются влияние ошибки за недокомпенсацию в отсчетах по рейке при нескольких положениях зеркала. Кроме компенсатора этот нивелир имеет еще одно дополнительное удобство. Окуляр Ni002 выведен на верхнюю стенку инструмента и может вращаться по азимуту на 240°. Поэтому нивелировщик при наблюдении на переднюю и заднюю рейку остается на одном месте, а не топчется вокруг нивелира.
2. Назначение и принцип работы компенсатора
Вместо уровня в некоторых геодезических измерительных приборах применяется компенсатор небольших углов наклона осей прибора.
Существуют жидкостные, механические и оптико-механические компенсаторы; наиболее часто применяются оптико-механические компенсаторы, в которых главным узлом является подвесное маятниковое устройство. На этом устройстве укреплены оптические детали или системы, предназначенные либо для изменения направления оси прибора либо для параллельного смещения этой оси. Непременной составной частью оптико-механического компенсатора является демпфер, предназначенный для гашения и ограничения собственных колебаний маятниковой подвесной системы. Приведем схему оптико-механического компенсатора, предназначенного для удержания в горизонтальном положении визирной оси трубы нивелира Ni007 (рис.5).
Рисунок 5 Визирная ось трубы нивелира Ni007
1. пентапризма для изменения направления горизонтального луча,
2. линза телеобъектива,
3. линза телеобъектива,
4. окуляр,
5. призма, подвешенная на простом физическом маятнике,
6. призма для направления лучей в окуляр 4.
В нивелире русского производства Н3К компенсатор состоит из двух прямоугольных стеклянных призм, одна из которых подвешена к верхней части корпуса трубы на двух парах стальных нитей (рис. 6).
Рисунок 6. Компенсатор нивелира Н3К
1. корпус трубы,
2. призма, жестко соединенная с корпусом трубы,
3. призма, подвешенная на нитях,
4. нити подвеса призмы,
5. центр тяжести системы,
6. демпфер.
С помощью этих призм изображение рейки передается в плоскость сетки нитей по горизонтальному направлению (S - S) при небольшом наклоне трубы; диапазон компенсируемых углов наклона 7+15', ошибка горизонтальности визирной линии трубы - не больше 0.5"; систематическая ошибка недокомпенсации - не более 0.3" на 1' наклона трубы; время затухания колебаний - не более 2 секунд.Широкое применение находят геодезические приборы, в которых уровень заменен автоматическим устройством — компенсатором наклона. В теодолитах это компенсатор наклона индекса вертикального лимба, в нивелирах — компенсатор наклона визирной линии. Начальная установка прибора может проводиться грубо, поэтому компенсаторы наклона позволяют повысить производительность работ и в диапазоне ± 10' и более обеспечить необходимую точность установки (чувствительность компенсаторов доходит до 0,2").
Рисунок 7. Способы компенсации угла наклона зрительной трубы
Наибольшее распространение получили маятниковые компенсаторы. Компенсировать угол наклона ε зрительной трубы можно различными способами:
1) переместить сетку нитей из положения Z в положение Z0; соответствующее горизонтальному направлению визирной линии;
2) изменить направление горизонтального луча визирования таким образом, чтобы он прошел через горизонтальную нить Z смещенной сетки;
3) осуществить параллельное смещение горизонтального луча визирования на величину ZZ0, при котором луч пройдет через горизонтальную нить смещенной сетки.
3. Исследование компенсаторов

3.1 Поверки и исследования нивелиров с компенсаторами
Программа поверок и исследований нивелиров с компенсаторами отличается от программы для уровенных нивелиров лишь тем, что в ней вместо пунктов г), е), и), и м), связанных с использованием цилиндрического уровня и элевационного винта, включены следующие поверки и исследования, связанные с наличием компенсатора:
а) определение диапазона действия компенсатора;
б) определение времени затухания колебаний маятника компенсатора;
в) определение степени компенсации углов наклона визирной оси;
г) поверка горизонтальности линии визирования;
д) исследование параллельности хода фокусирующей линзы.
Диапазон действия компенсатора определяют при помощи рейки или коллиматора. Определение производят как для продольных, так и для боковых наклонов нивелира.
Рисунок 8. Поверка нивелира с компенсатором
При помощи экзаменатора производят продольный или боковой наклон нивелира в обе стороны от нульпункта до момента зависания маятника компенсатора. Зависание маятника фиксируют в момент резких изменений отсчетов по рейке или по коллиматору (сетка нитей нивелира начинает перемещаться вместе с наклоном нивелира). Величину угла наклона нивелира определяют по показаниям шкалы винта экзаменатора.
3.2 Определение степени компенсации углов наклона визирной оси
Компенсатор не должен иметь перекомпенсации или недокомпенсации. Степень компенсации углов наклона визирной оси определяют по превышениям, измеренным на станции, при длине визирного луча 10, 20, 30, …, 100м и при различных углах продольного и поперечного наклона нивелира. Для этого нивелир устанавливают в створе между рейками на равных расстояниях от них; рейки закрепляют отвесно.
Превышения определяют по двум шкалам реек при следующих вложениях оси вращения нивелира:
а) при положении пузырька установленного уровня на нуль пункте (α=0);
б) при продольном положительном угле + α и + α/2 наклона трубы;
в) при продольном отрицательном угле –α и –α/2 наклона трубы;
г) при боковом положительном (например вправо) угле +β и +β/2 наклона трубы;
д) при боковомотрицательном (например влево) угле -β и -β/2 наклона трубы нивелира.
Углы ± α и ± β устанавливают при помощи подъемного винта, цена оборота которого определена в угловой мере на экзаменаторе. Перечисленная программа измерений составляет один прием. Для каждой длины визирного луча должно быть выполнено не менее 5 приемов. По вычисленным средним из пяти приемов превышениям hв, hв/2 и др. определяют степень компенсации θD"  углов наклона, отнесенную к одной минуте наклона, по формуле:
θD"=hв-h02Da'p",где h0 — эталонное превышение; D — длина визирного луча; a' - наклон трубы в минутах.
Полученная величина  для всех расстояний не должна превышать ± 0,05" у высокоточных нивелиров, ± 0,15" - у нивелиров средней точности и ±0,30" — у нивелиров технических. В противном случае устранить причины большой перекомпенсации или недокомпенсации можно только в мастерских. Способы юстировки компенсатора различны и зависят от типа компенсатора и его конструкции.
Поверка горизонтальности линии визирования. Линия визирования в пределах диапазона действия компенсатора должна быть горизонтальной.
Эта поверка выполняется двойным нивелированием так же, как и поверка второй части главного условии глухих уровненных нивелиров. Если h1-h2≤2мм , то условие считается выполненным. В противном случае перемещением сетки нитей исправляют отсчет по дальней рейке.
Исследование правильности хода фокусирующей линзы у труб нивелиров с компенсаторами выполняется так же, как и у труб уровенных нивелиров.
Для нивелиров с компенсатором поверки и юстировки 1 и 2 (круглого уровня и сетки нитей) выполняются так же, как и для нивелиров с цилиндрическим уровнем. Рассмотрим особенности юстировки главного условия.
Визирный луч зрительной трубы должен быть горизонтален в диапазоне работы компенсатора. При выполнении проверки нивелир устанавливают в рабочее состояние по круглому уровню. На второй станции, при нивелировании способом "вперед", наклон визирного луча устраняют перемещением диафрагмы с сеткой ее вертикальным юстировочным винтом, устанавливают среднюю нить на отсчет по рейке, который соответствует горизонтальному положению визирного луча.
Проверяя работу компенсатора, пузырек уровня приводят в нуль-пункт и берут отсчет по рейке, удаленной на 70-80 м от нивелира. Затем подъемными винтами нивелир наклоняют вперед, назад, влево, и вправо на углы, равные отклонению пузырька круглого уровня от нуль-пункта на одно кольцевое деление. Отсчеты не должны изменяться более чем на 1-2 мм. Нивелир исправляют в заводских условиях.
ЗаключениеИспользование компенсаторов угла наклона существенно повлияло на ход геодезических работ. C применением компенсаторов точность, скорость и стабильность геодезических работ возросла. Компенсатор надежен и именно поэтому это изобретение на сегодняшний день находит применение в практически всех новых геодезических оборудованиях в отличие от цилиндрического уровня.
Компенсаторы существуют в различном многообразии, и виды и конструкции этого изобретения так же применяются в зависимости от рода выполняемых геодезических работ.
Причиной возникновения компенсаторов угла наклона является точность и скорость измерений, и поскольку геодезические приборы стоят не на незыблемой поверхности, а на строительных площадках, вблизи дорог или других поверхностях, что создает вибрации транспорта и различные движения поверхности земли вблизи геодезического прибора, необходимость точных геодезических работ возрастает, и как то компенсировать не идеальность среды удается компенсатору.Преимущества и недостатки
Преимущества:
- Компенсатор более надежен и легок в эксплуатации по сравнению с уровнем.
- Нарушение работы компенсатора можно исправить или заменить, и работать с прибором дальше.
- Компенсатор дает возможность выполнять геодезические работы с высокой точностью и скоростью.
Недостатки:
- Компенсаторы рассчитаны на работу только в определенных диапазонах наклона. При наклоне, превышающем диапазон работы компенсатора – он работать не будет.
- При переноске и хранении маятниковый компенсатор может «залипать».
- Температура, особенно неравномерный нагрев от солнечных лучей влияет на любые элементы нивелира – в том числе на работу компенсатора. Помимо этого, компенсатор, хотя может исправить незначительные отклонения оптической оси нивелира от горизонтального положения, но с внешними атмосферными влияниями справиться не в силах.
- Для долгой и бесперебойной службы геодезического инструмента важен регулярный и доброствестный уход за ним. Осуществление регулярных своевременных поверок является его частью.
Список литературы

Поклад, Г.Г. Геодезия: учебное пособие для вузов/ Г.Г, Поклад, С.П. Гриднев. –2-е изд. –М.: Академический Проект, 2008. –592с.
Киселев М. И.. Геодезия: учебник для студ . сред. проф. образования / М.И. Киселев, Д. Ш. Михелев. –5 –е изд., стер. –М.:Издательский центр «Академия», 2008. –384 с
http://www.gsi.ru/art.php?id=188
http://tool1.ru/page/page64.html
http://www.mybntu.com/stroika/geodezia.html?start=40
http://ru.wikipedia.org/wiki/Нивелир
http://www.nivelir.kz/index.php/materialy/131-osobennosty-ekspluatacii-nivelirov-s-kompensatoramy
http://www.synergy-gis.com/lib/malkov/3_3.html