Введение.
Нивелир это сложный оптический прибор. В соответствии с ГОСТ 10528 . "Нивелиры. Общие технические условия", в основу классификации нивелиров положены два основных признака: точность измерений и конструктивное исполнение. По точности нивелиры разделяются на три типа:
высокоточные - Н-0,5;
точные - Н-3;
технические - Н-10.
Цифра в обозначении нивелира указывает на допустимую среднюю квадратическую погрешность измерения превышения на 1 км двойного нивелирного хода, по конструктивному исполнению нивелиры разделяются на нивелиры с уровнем при зрительной трубе и нивелиры с компенсатором. В обозначении нивелира после цифры добавляется буква К, например Н-ЗК - нивелир точный с компенсатором. В нашей стране нивелиры Н-3 и Н-10 выпускаются как с уровнем, так и с компенсатором.
Нивелир Н-3.
Нивелир Н-3 относится к точным нивелирам с уровнем при зрительной трубе. Он предназначен для нивелирования III и IV классов и может применяться для измерения превышений при построении высотного обоснования топографических съемок, при инженерно-геодезических изысканиях, в промышленности и строительстве.
1 -окуляр; 2 — зрительная труба; 3 - кремальера; 4 — цилиндрический уровень; 5 - закрепительный винт; 6 - наводящий винт; 7 - подъемные винты; 8 - элевационный винт; 9 - винт круглого уровня; 10- объектив; 11 - подставка; 12 - пружинящая пластина.
Основными частями нивелира является зрительная труба (2) с прикреплёнными к ней цилиндрическим уровнем(4), опорная площадка с осью, подставка (11) с подъёмными винтами (7) и пружинная пластинка (12) с отверстием и резьбой для станового винта. Цилиндрический уровень (4) с ценой деления 15 град. расположен в коробке вместе с призменным устройством, при помощи которого изображение концов пузырька уровня в виде двух его половинок передаётся в поле зрения трубы (2). Точное привидение визирной оси трубки в горизонтальное положение выполняется элевационным винтом (8) и заключается в совмещение изображений концов пузырька уровня. Цилиндрический уровень имеет четыре юстировочных винта, закрытых крышкой.
Круглый уровень, предназначенный для приближённой установки вертикальной оси нивелира в отвесное положение, снабжён тремя юстировочными винтами. Грубое перемещение зрительной трубы нивелира в горизонтальном положении производится от руки, при откреплённом зажимном винте (5), а точнее – наводящим винтом (6) при закреплённом зажимном винте. Резкого изображения сетки нитей добиваются вращением диоптрийного кольца окуляра (1), резкого изображения рейки – вращением маховичка фокусирующего устройства. Грубая наводка трубы на рейку производится по мушке.
Зрительная труба нивелира предназначена для визирования и производства отсчетов по нивелирным рейкам. На рисунке изображена схема зрительной трубы нивелира, состоящая из линз объектива, фокусирующих линз, сетки нитей, линз окуляра, призм.
Оптическая система нивелира состоит из объектива 1, фокусирующей линзы 2, пластины с сеткой нитей и окуляра.
Объектив
1 представляет собой сложную конфигурацию
оптических элементов, действующих как
одна собирательная линза.
Схема зрительной трубы и хода лучей в ней
1 - объектив; 2 - фокусирующая линза; 3, 4 - окулярная трубочка и кольцо; 5 - окуляр; 6 - сетка нитей; 7 - кремальера; АВ - наблюдаемый в трубу объект; A1B1 — обратное действительное изображение объекта; 8, 9 и 10 - фокусные линзы; 11 - ампула.
Сетка нитей представляет собой стеклянную пластину с нанесенными на нее двумя взаимно перпендикулярными штрихами; на сетке имеются два дальномерных штриха 2 для измерения расстояний по рейке. Стеклянная пластинка с сеткой укреплена в диафрагме и вместе с ней может перемещаться в двух перпендикулярных направлениях с помощью исправленных винтов 1.
Окуляр зрительной трубы нивелира предназначен для рассматривания уменьшенного, обратного и действительного изображения, построенного объективом, выполняя роль лупы, он формирует увеличенное, прямое и мнимое изображение, которое видит глаз наблюдателя.
По конструктивному выполнению зрительной трубы нивелиров разделяются на трубы с прямым и обратным изображением.
1 - исправительный винт; 2 - дальномерные нити; 3 - вертикальные и горизонтальные нити; 4 - биссектор.
Уровни служат для приведения геодезических приборов и их частей в горизонтальное или вертикальное положение. С их помощью можно измерять малые углы наклона. Уровни состоят из ампулы и регулировочного устройства. В зависимости от формы ампулы уровни делят на цилиндрические и круглые.
Цилиндрический уровень
Основной частью является стеклянная ампула, внутренняя поверхность которой отшлифована по дуге радиуса R. Она заполнена легкоподвижной жидкостью, например, серным эфиром. Пузырек уровня, заполненный парами этой жидкости не должен быть короче 0,3 - 0,4 длина ампулы. На наружной поверхности ампулы через 2 мм по дуге нанесены деления.
Ценой деления уровня называют центральный угол, соответствующий длине дуги одного деления ампулы:
Т'1Р'
где R - радиус дуги, р" = 206266.
Цилиндрический уровень
а — разрез (1- оправа, 2-ампула, 3-пузырьки, 4-запасная камера, 5,6-исправительные винты);
б — деление ампулы;
в — ось уровня.
Средняя точка деления ампулы уровня называется 0, положение пузырька определяется по ее концам, поэтому в средней части ампулы деления не наносят.
Касательная АВ к внутренней поверхности ампулы в нуль - пункте т. О называется осью цилиндрического уровня.
Ампулы уровней закреплены в металлической оправе гипсом, оправа уровня соединена с прибором при помощи регулировочного устройства, включающего исправительные винты для приведения оси уровня в заданное положение относительно одной из осей прибора.
Внутренняя поверхность ампулы уровня должна иметь постоянную кривизну. Для проверки этого условия медленно и равномерно наклоняют прибор вращением подъемного винта. Если пузырек смещается плавно, без задержек, то он пригоден к работе. В противном случае, его следует заменить.
При помощи системы изображения концов пузырька уровня передается в поле зрения трубы в виде двух половинок, перемещающихся одна относительно другой. Вращением элевационного винта изображение концов пузырька уровня совмещают. Такое устройство уровня позволяет одновременно с отсчетом по рейке следить за положением пузырька уровня.
Схема контактного уровня
1 — зрительная труба; 2 — сетка нитей; 3 — объектив; 4 — пузырек уровня;5 — окуляр; 6 - система призм; 7 — ампула цилиндрического уровня
Круглый уровень
Общий вид и разрез круглого уровня показан на следующем рисунке, его внутренняя поверхность верхней части ампулы представляет собой часть сферы 9 шара, диаметр пузырька уровня 2-4 мм. На наружной поверхности ампулы нанесено несколько концентрических окружностей, расстояние между которыми равно 2 мм. Центр этих окружностей является нуль - пунктом уровня.
Круглый уровень.
а- внешний вид;
б-разрез (1 - исправительный винт, 2 - оправа, 3 - ампула, 4- пузырек).
Ось круглого уровня OO1 перпендикулярна к сферической поверхности ампулы в нуль - пункте. Цель деления круглых уровней колеблется от 3 до 15 мин.
Рейки нивелирные
Для осуществления процесса определения превышения наряду с нивелиром необходимо иметь две специальные рейки. Нивелирные рейки представляют собой деревянный брус, на котором нанесены сантиметровые деления с одной или двух сторон.
В соответствии с ГОСТ 11158-83 «Рейки нивелирные. Технические условия» рейки выпускают трех типов: РН-05, РН-3, РН-10. Буквы обозначают: Р - рейка, Н - нивелирная, а цифры 10, 3 и 0,5 указывают средние квадратичные погрешности нивелирования в мм на 1 км хода, характеризующие точность работ, для которых они предназначены.
Двусторонние рейки типа РН -3 и ТН-10 применяются на геодезических работах при нивелировании. Эти рейки выпускают длиной 1,5м, 3м и 4м. Рейки 3м могут быть складными и цельными. Они представляют собой деревянные бруски шириной 8-10см и толщиной 2-3см, на которых нанесены шашечные сантиметровые деления и подписаны значения дециметров снизу вверх. Так как труба нивелира Н-3 дает обратное изображение, то числовые надписи на рейке обычно делают перевернутыми. Если же прибор дает прямое изображение, то надписи на рейке прямые. У двухсторонних реек на одной стороне нанесены черные и белые деления - черная сторона, а на другой - красные и белые деления - красная сторона.
На черной стороне рейки деления выполнены по 10 мм, начиная от нуля, являются пяткой рейки.
На красной стороне счет таких сантиметровых делений начинается с произвольного числа, обычно превышающего 4000 мм, например, 4685 мм и 4785 м. для удобства работ целесообразно использовать рейки с одинаковым значением пяток по красной стороне.
Таким образом, отсчеты по двум сторонам одной и той же рейки должны различаться между собой на разность нулей (пяток).
Отсчеты берут по средней горизонтальной нити сети, а иногда по крайним (для контроля и определения расстояния до рейки по нитяному дальномеру).
Отсчеты записывают в виде четырехзначного числа. Первые две цифры - тысячи и сотни миллиметров считывают с рейки, третья и четвертая цифры - десятки и единицы миллиметров - отсчитывают от начала данной сотни до средней горизонтальной нити.
Так на рисунке отсчет по средней нити равен 1311 мм, а расстояние от инструмента до рейки равно разности отсчетов по верхней и нижней нитям нивелира, умноженной на 100.
Основные оси нивелира
Для правильного определения превышений в процессе нивелирования взаимное расположение частей нивелира должно удовлетворять ряду геометрических условий, соблюдение которых устанавливает при производстве поверок инструмента. Поверить инструмент - значить привести его геометрические оси во взаимное соответствие. На рисунке схематически показаны оси нивелира Н-3.
Поверки прибора
Первая поверка. Ось кругового уровня UU1 должна быть параллельна оси вращения VV1 инструмента.
Для выполнения поверки пузырек круглого уровня тремя подъемными винтами выводят в нуль - пункт. Затем подставку трубы, на которой расположен уровень, поворачивают на 180°. Если пузырек остался в центре уровня, то условие выполнено. В противном случае положение уровня исправляют. На половину величины отклонения от нуль-пункта пузырек выводят подъемными винтами, на оставшуюся половину отклонения - исправительными винтами круглого уровня.
Вторая поверка. Горизонтальная нить сетки нитей должна быть перпендикулярна оси вращения инструмента.
Если отсчеты по рейке, установленной на расстоянии 30 - 40 м от нивелира, у краев и в центре поля зрения трубы одинаковые, то условие выполнено. Когда указанные отсчеты разные, то проводят исправление положения сетки нитей. Открепляют крепежные винты кольца сетки и поворачивают его в тубусе так, чтобы отсчеты по рейке были вежде равными.
Третья поверка. Ось ZZ1 цилиндрического уровня должна быть параллельна визирной оси КК1 трубы (основное условие нивелира).
Поверка выполняется двойным нивелированием вперед. На местности выбирают линию длиной 50-60 м на ее концах в точках А и В забивают колышки вровень с землей.
В точках А и В последовательно устанавливают нивелир и рейку (1 и 2 положение). В 1-ом положении измеряют высоту инструмента i1 по рейке с точностью до 1 мм (для этого смотрят в объектив и острием карандаша замечают отсчет по рейке) и берут отсчет по рейке а1, который равен сумме исправленного отсчета а1’ , и ошибки х за счет непараллельности осей ZZ1 и КК1. Нивелир и рейку меняют местами и во 2-ом положении действие повторяют. Из рисунка видно, что превышение h=i1 - (a1 + х) = (а2 +x) – i2; х=(i1+i2/2) – (a1+a2/2)
Не снимая, нивелира во 2-ом положении подсчитывают x. Если х<|4|мм, то условие поверки выполнено. Если ошибка х>|4|мм, то находят исправленный отсчет, a2испр=a2+x=a2 ; который соответствует горизонтальному положению визирной оси трубы. Действуя элевационным винтом, устанавливают горизонтальную нить на исправленный отсчет а2. После этого исправленными винтами цилиндрического уровня выводят пузырек на середину.
Определение превышения между двумя точками.
Нивелир, закрепленный на штативе, устанавливают между двумя точками так, чтобы расстояния от нивелира до задней и передней реек были, по возможности, одинаковыми. Установив нивелир в рабочее положение, берут отсчеты по рейкам, которые записывают в журнал. Если отсчет получается менее 0300 мм, следует сменить станцию, увеличив горизонт прибора.
При определении превышения измерения выполняют в следующей последовательности:
1. Отсчет по черной стороне задней рейки (1482) а'1;
2. Отсчет по черной стороне передней рейки (2120) вч;
3. Отсчет по красной стороне передней рейки (6905) вк;
4. Отсчет по красной стороне задней рейки (6263) ак.
Следует отметить, что перед каждым отсчетом по рейке необходимо вращением элевационного винта совмещать концы пузырька контактного уровня.
После выполнения измерений нивелир остается в рабочем положении на данной станции до окончания всех вычислений.
В начале вычисляют разность пяток по задней рейке и по передней рейке. При этом допускается уклонение полученных значений разности пяток на ±5 мм. Затем вычисляют превышение, как разность соответственных отсчетов по задней и передней рейкам. Разность между двумя значениями превышений (h1 и h1') не должна превышать 5 мм.
Если указанные условия не выполняются, то изменяют горизонт прибора и выполняют нивелирование между этими точками повторно.
Нивелир Н3-К.
Точный нивелир с самоустанавливающейся линией визирования, предназначенный для нивелирования III, IV классов и технического, а также для инженерно геодезических работ при изысканиях и строительстве зданий и сооружений. Нивелир обеспечивает выполнение геометрического нивелирования со средней квадратической погрешностью 3-4 мм на 1 км двойного хода.
Устанавливают нивелир в рабочее положение подъемными винтами по круглому уровню, наблюдая за положением его пузырька в откидное зеркальце. Подъемные винты нивелира имеют укрупненный шаг резьбы, что позволяет приводить нивелир в рабочее положение с минимальной затратой времени.
Нивелир Н3-К не имеет закрепительного винта. При грубом наведении на рейку достаточно легко вращается рукой и надежно фиксируется в нужном направлении. Точное наведение трубы нивелира на рейку выполняют вращением одной из двух головок наводящего винта бесконечной наводки, расположенных с обеих сторон прибора и позволяющих выполнять наведение как правой, так и левой рукой.
Диафрагма сетки нитей крепится в окулярной части зрительной трубы двумя вертикальными юстировочными винтами, с помощью которых сетку при необходимости можно смещать с вертикальной плоскости вверх или вниз. Эти винты, как и крепежные винты окуляра, крепящие его в торце корпуса трубы, закрыты предохранительным колпачком, который можно легко снять, если свинтить плоскую гайку.
Оптическая схема зрительной трубы имеет трёхлинзовый объектив, фокусирующую линзу, сетку нитей, нанесенную на стеклянной пластинке, и окуляр, между фокусирующей линзой и сеткой нитей расположен призменный компенсатор, устанавливающий визирную линию в горизонтальное положение при наклоне оси вращения прибора в пределах 10’. Компенсатор состоит из двух прямоугольных призм и служит для передачи изображения в плоскость сетки нитей. Призма 6 подвешена к верхней части корпуса нивелира на двух парах скрещивающихся стальных нитей. Система подвески умножительная: отношение верхней и нижней сторон трапеции, образованной нитями подвески, равно 1/3.
Компенсатор снабжен ограничителем, предохраняющим нити подвески от обрывов. Колебания компенсатора гасятся успокоителем (демпфером) поршневого типа. Особенностью компенсатора является то, что в нем мгновенный полюс вращения призмы 6 совмещен с серединой её отражающей грани и с центром тяжести подвески, находящимся на пересечении нитей. Такое устройство обеспечивает постоянство фокусировки и повышение точности работы компенсатора, так как в этом случае сохраняется постоянство расстояния от отражающей грани призмы до сетки нитей при наклонах трубы нивелира.
1