По каким основным признакам различают типы нивелиров. Приборы для нивелирования III и IV классов
Нивелиры различают по двум признакам:
а) По точности
1. Высокоточные (со среднеквадратической ошибкой = +-1мм на 1 км)
2. Средне точные (со среднеквадратической ошибкой = +-3мм на 1 км)
3. Технические (со среднеквадратической ошибкой = +-10мм на 1 км)
б) По способу установки визирной оси в горизонтальное положение:
1. Глухой нивелир с уровнем при зрительной трубе.
У этих нивелиров зрительной труба и цилиндрический уровень скреплены вместе и могут наклоняться на небольшой угол, относительно подставки прибора, с помощью элевационного винта . Визирная ось приводится в горизонтальное положение по цилиндрическому уровню. Главное условие предъявляемое к глухим нивелирам – это взаимная параллельность визирной оси и оси цилиндрического уровня VV1||UU1.
При соблюдении этого условия визирная ось займет горизонтальное положение, после установки пузырька в нуль пункте.
2. Нивелирование с компенсатором Н-3к, Н-10к.
У нивелиров с компенсатором приблизительная установка оси вращения нивелира производится по круглому уровню, после чего, в работу включается компенсатор который автоматически приводит визирную ось в горизонтальное положение.
5.Устройство нивелира:
Нивелир с уровнем при трубе состоит из:
1. Зрительная труба
2. Цилиндрический уровень при трубе
3. Элевационный винт
4. Установочный круглый уровень
5. Закрепительный и микрометренный наводящие винты зрительной трубы
6. Трегер с тремя подъемными винтами
Элевационный винт служит для приведения визирной оси в горизонтальное положение.
Цилиндрический уровень «контактный». Изображение пузырька передается в поле зрения трубы. Не совмещённые концы пузырька указывают на то, что визирная ось наклонена, если же пузырьки совмещены то ось горизонтальна.
6. Поверка круглого уровня:
1. Устанавливают круглый уровень параллельно двум винтам нивелира, и вращая все 3 винта, приводят пузырек в нуль пункт.
2. Поворачивают нивелир на 180 градусов «пузырек должен находиться в нуль пункте», если он отклонился, то юстировку выполняют юстированными винтами «снизу круглого уровня».
7. Поверка сетки нитей:
Одна из нитей сетки должна быть перпендикулярна оси вращения инструмента. Рейку устанавливают отвесно в 30-40 метрах от нивелира, наводят зрительную трубу, так что бы ее изображение получалось в разных местах поля зрения. У двух краев и посередине берутся отсчеты по рейке, если их значение одинаково, то юстировка не нужна, если же значения разные то, выполняют юстировку сетки нитей.
8. Главное условие нивелира:
Поверка главенствующего условия. У нивелиров с цилиндрическими уровнями (Н-3, Н-10) ось цилиндрического уровня обязана быть параллельна визирной оси зрительной трубы. У нивелиров с компенсатором (Н-ЗК, Н-10К) визирная ось зрительной трубы обязана быть горизонтальной в пределах работы компенсатора. Поверка нивелиров с цилиндрическими уровнями выполняется двойным нивелированием «вперед» одной и той же полосы длиной 40-60 м с различных ее концов. Для этого концы полосы АВ (рис. 101) закрепляют кольями. Нивелир располагают над точкой А (рис. 101,а), создают подготовительную установку нивелира по круглому уровню и измеряют высоту устройства с точностью до 1 мм. В точке В отвесно устанавливают рейку, с помощью элевационного винта приводят пузырек цилиндрического уровня в нуль-пункт и делают отсчет по рейке. Ежели визирная ось и ось цилиндрического уровня не параллельны, то за место правильного отсчета по рейке будет взят отсчет содержащий погрешность х.
Нивелир - геодезический прибор со зрительной трубой, визирная ось которого служит для воспроизведения горизонтальной линии.
Нивелиры снабжены уровнями или компенсаторами - устройствами для достижения горизонтальности оптической оси. Таким образом,
оптические нивелиры бывают двух типов: нивелиры с уровнем и ни
зирования (с компенсатором). Кроме того, электронные технологии позволили создать современный многофункциональный цифровой
(электронный) нивелир, совмещающий функции высокоточного
оптического нивелира, электронного запоминающего устройства
и встроенного программного обеспечения для обработки выполнен
ных измерений.
Оптические нивелиры - самые распространенные приборы.
Некоторые марки их отличаются продолжительным сроком службы
(НВ-1, Н-3 и др.). Многообразие марок нивелиров обусловлено ши
роким спектром областей применения: от изысканий, строительства
до создания государственных нивелирных сетей.
Цифра перед буквой Н в марке нивелира обозначает серию. Нали
чие в марке следующих букв означает: К - труба нивелира снабжена
компенсатором, П - зрительная труба с прямым изображением,
JI - нивелир с горизонтальным лимбом.
Нивелиры также различаются по точности, что указывается в их марке. Например, у нивелиров Н-05, Н-3, 3H5JI, Н-10 гарантированная погрешность нивелирования на 1 км хода составляет соответственно 0,5; 3; 5 и 10 мм.
Рассмотрим устройство нивелира Н-3
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.
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.
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;
8 -подставка с тремя подъемными винтами.
В поле зрения трубы нивелира помимо сетки нитей введено изображение двух половинок концов цилиндрического уровня, которые в момент взятия отсчета по рейкам должны быть совмещены (на рисунке поле зрения трубы)
В комплект любого нивелира входят также две рейки и металлические «башмаки» или костыли. Для технического нивелирования используют деревянные двусторонние рейки, на которых с каждой стороны нанесены деления через 1 см. Одна сторона - красная, другая - черная. Деления черной стороны начинаются с нуля, а деления красной стороны - с произвольного отсчета, чаще близко к 4684 или 4784. Правильность нанесения делений на рейках проверяют специальной металлической контрольной линейкой, точная длина которой известна.
Костыли и башмаки используют для того, чтобы рейки на пикетах стояли устойчиво, не сдвигаясь ни в плане, ни по высоте. Костыли забивают, а башмаки устанавливают на грунте, иногда предварительно сняв дерн. При техническом нивелировании их нередко заменяют деревянными колышками, которыми отмечают пикеты и по которым ведется нивелирование.
Цель работы : изучить устройство нивелира и принципов его применения.
Приборы, инструменты и материалы: оптический нивелир Н-3, линейки, карандаши, бумага формата А4.
Общие сведения
Нивелирование – один из видов полевых геодезических измерений для определения превышений (разности отметок) между точками. С помощью нивелира и нивелирных реек выполняется геометрическое нивелирование. Геометрическое нивелирование заключается в непосредственном определении разности высот двух точек с помощью горизонтального визирного луча, получаемого прибором – нивелиром.
Нивелирование применяют при изучении форм рельефа, строительстве и эксплуатации сооружений и других геодезических работах. В зависимости от точности высотных определений нивелирование подразделяется на классы: I,II,III,IVи техническое нивелирование.
Наиболее распространенный тип нивелиров - оптические нивелиры. Нивелиры классифицируются по точности и по конструкции.
По точности нивелиры выпускают:
Высокоточные – нивелир Н-05 имеет погрешность не более 0.5мм на 1км хода;
Точные – нивелиры Н-3, Н-3Л, Н-3К, Н-3КЛ – дают погрешность не более 3мм на 1км хода;
Технические – нивелиры Н-5, Н-10, Н-10КЛ – не более 10мм на 1км хода.
По конструкции нивелиры всех типов выпускаются в двух исполнениях: с цилиндрическим уровнем и с компенсатором. Если нивелир с компенсатором, к названию прибора добавляется буква «К», например, Н-3К.
Высокоточные и точные оптические нивелиры (согласно ГОСТа) могут изготавливаться в двух исполнениях: с цилиндрическим уровнем при зрительной трубе и с компенсатором; технические оптические нивелиры с компенсатором. В настоящий момент практически все точные оптические нивелиры имеют компенсатор.
Точные и технические оптические нивелиры изготавливаются со зрительной трубой прямого изображения, высокоточные - и прямого, и обратного..
Задание 1. Изучить устройство оптического нивелира Н-3 и реек, применяемые приIVкласса и техническом нивелировании
Устройство нивелира с цилиндрическим уровнем
Рассмотрим устройство нивелиров с цилиндрическими уровнями на примере нивелира Н-3 (рис 15,а).
Рисунок 15 Устройство оптического нивелира Н-3
а) - основные части нивелира Н-3;
б)- поле зрения зрительной трубы нивелира Н-3
Н-3 – точный нивелир с цилиндрическим уровнем и элевационным винтом. Верхняя вращающаяся часть состоит из зрительной трубы (1), жестко скрепленного с трубой цилиндрического уровня, круглого уровня (5), закрепительного (3) и наводящего (4) винтов трубы и элевационного винта (6).
Нижняя часть состоит из подставки с тремя подъемными винтами (трегер) и прижимной пластины. Прибор приводится в рабочее положение вращением подъемных винтов трегера по круглому уровню.
Зрительная труба представляет собой телескопическую систему, состоящую из объектива, фокусирующей линзы (кремальера), сетки нитей и окуляра. Изображение концов пузырька цилиндрического уровня с помощью системы призм передается в поле зрения зрительной трубы (рис.1,б). Пузырек цилиндрического уровня приводится на середину элевационным винтом (6). Резкость изображения нивелирной рейки достигается вращением винта (2) фокусирующей линзы. Затем снимается отсчет по рейке (на рисунке 15, б, отсчет 1250).
Нивелирные рейки
Нивелирные рейки изготавливаются из деревянного бруска двутаврового сечения толщиной 2-3 см, длиной 4м, 3м, 1.5м. 1.2м и короче, складные и цельные (рисунок 16,а). Основная шкала (черная сторона) состоит из чередующихся черных и белых сантиметровых делений. Счет делений ведут от нуля, совмещенного с основанием рейки, называемого «пяткой». На дополнительной шкале (красная сторона) начальный отсчет выражается определенным числом. Разность отсчетов по основной и дополнительной шкалам рейки должна оставаться всегда постоянной, что служит контролем правильности снятия отсчетов по рейке на станции. В комплект нивелира с прямой трубой входят рейки с прямыми надписями.
Для удобства и быстроты установки нивелирные рейки иногда снабжают круглыми уровнями. Рейки маркируют так: например, РН-10П-3000С, что означает, что эта рейка нивелирная, со шкалой деления 10мм, прямой надписью цифр, длиной 3000мм, складная.
При производстве нивелирования I и II классов используются штриховые инварные рейки (рисунок 16,б).
Во время работы рейки ставят на башмаки (рисунок 16, г), костыли (рисунок 16,в) или деревянные колья.
Рисунок 16 Нивелирные рейки
а – рейка РН-10; б – инварная рейка РН-05 в поле зрения трубы;
в – костыль; г -- башмак
Согласно действующим ГОСТам нивелиры изготавливают трех типов: высокоточные – Н-05; точные – Н-3; технические – Н-10.
В названии нивелира числом справа от буквы Н цифрой обозначают допустимую среднюю квадратическую ошибку измерения превышения на 1 км двойного нивелирного хода.
В зависимости от того, каким способом визирный луч устанавливается в горизонтальное положение, нивелиры изготавливают в двух исполнениях: - с цилиндрическим уровнем при зрительной трубе, с помощью у которого осуществляется горизонтирование визирного луча (рис. 63); - с компенсатором – свободно подвешенная оптико-механическая система, которая приводит визирный луч в горизонтальное положение. В названии нивелира буква К обозначает компенсатор (Н-3К, Н-3КЛ), где Л – лимб (рис. 64). На рис. 65 приведен технический нивелир второго поколения с компенсатором и лимбом 2Н-10КЛ
Рис. 63. Точный нивелир Н-3 с цилиндрическим уровнем при зрительной трубе: 1 – подъемные винты; 2 – круглый уровень; 3 – элевационный винт; 4 – окуляр зрительной трубы с диоптрийным кольцом; 5 – визир; 6 – кремальера; 7 – объектив зрительной трубы; 8 – закрепительный винт; 9 – наводящий винт; 10 – контактный цилиндрический уровень; 11 – юстировочные винты цилиндрического уровня
ЗН-3КЛ
Рис. 64. Точный нивелир ЗН-3КЛ с компенсатором и лимбом: 1 – лимб; 2 – наводящий винт; 3 – кремальера; 4 – визир. ЗН-3КЛ
2Н-10КЛ
Рис. 65. Технический нивелир 2Н-10КЛ
Нивелиры иностранного производства
Электронный нивелир Trimble
Лазерный нивелир
7.4. Нивелирные рейки
Нивелирные рейки для нивелирования III – IV класса и технического изготавливают из деревянных брусьев двутаврового сечения шириной 8 – 10 и толщиной 2 – 3 см.
Рейка РН-3 (рис. 66) имеет длину 3 м. Деления нанесены через 1 см. Нижняя часть рейки заключена в металлическую оковку и называется пяткой.
Основная шкала имеет деления черного и белого цвета, ноль совмещен с пяткой рейки. Дополнительная шкала на другой стороне рейки имеет чередующиеся красные и белые деления. С пяткой рейки совмещен отсчет больше 4000 мм. Часто встречаются комплекты реек, у которых с пятками красных сторон совпадают отсчеты 4687 и 4787 мм. Поэтому превышения, измеренные по красным сторонам реек, будут больше или меньше на 100 мм измеренных по черным сторонам реек.
Рис. 66. Нивелирная рейка (а) и поле зрения зрительной трубы нивелира с цилиндрическим уровнем (б)
7.5. Влияние кривизны Земли и рефракции на результаты нивелирования
При выводе формул для способов нивелирования из середины и вперед принято, что уровенная поверхность является плоскостью, визирный луч прямолинеен и горизонтален, рейки, установленные в точках, параллельны между собой.
На самом деле уровенная поверхность не является плоскостью и рейки, установленные в точках А и В перпендикулярно поверхности, непараллельны между собой (рис. 67), следовательно отсчеты З и П преувеличены на величину поправок за кривизну Земли СМ = К 1 и DN = К 2 .
Рис. 67. Влияние кривизны Земли и рефракции на результаты геометрического нивелирования
Поправки за кривизну Земли равны:
,
где S 1 , S 2 - расстояние от нивелира до реек; R – радиус Земли.
Кроме того известно, что луч света распространяется прямолинейно лишь в однородной среде. В реальной атмосфере, плотность которой увеличивается по мере приближения к поверхности Земли, луч света идет по некоторой кривой, которая называется рефракционной кривой. Вследствие этого визирный луч имеет форму рефракционной кривой радиуса R 1 и пересекает рейки в точках C" и D". Поэтому отчеты по рейкам уменьшаются на величину поправок за рефракцию: СC" = r 1 и DD"= r 2 , которые определяются по формуле
Радиус рефракционной кривой зависит от температуры, плотности, влажности воздуха и др. Отношение радиуса Земли R к радиусу рефракционной кривойR 1 называют коэффициентом земной рефракции, среднее значение которого принимают
Обозначим
где f 1 и f 2 – поправки за кривизну Земли и рефракцию равны
Следовательно превышение между точками А и В с учётом поправок за кривизну Земли и рефракцию равно
Необходимость учета поправки зависит от требуемой точности измерений.
Из формулы следует, что при равенстве расстояний от нивелира до реек и примерно одинаковых условиях можно считать, что f 1 = f 2 и h = З – П . Таким образом, при нивелировании из середины с соблюдением равенства плеч влияние кривизны Земли и рефракции практически устраняется.
Лекция 8. Геодезические сети
Классификация нивелиров производится:
По точности на три типа - высокоточные Н - 05, точные Н - 3 и технические Н - 10. Цифра указывает значение средней квадратической ошибки в мм определения превышений на 1 км двойного хода, т.е. 0.5 мм, 3 мм, 10 мм.
По конструкции (способу приведения визирной оси в горизонтальное положение) нивелиры с уровнем при трубе и нивелиры с компенсатором. Если есть компенсатор, то к обозначению добавляется буква К, а если есть также лимб, то Л: Н -10КЛ.
Установлено, что применение приборов с компенсаторами повышает производительность работ на 10-15% и потому наблюдается тенденция замены нивелиров с уровнями - нивелирами с компенсаторами. Однако высокоточные нивелиры, по прежнему, выпускаются с уровнями.
Основные части нивелиров: зрительная труба с внутренней фокусировкой с увеличением 20-50 х; кремальера; закрепительный и наводящий винты; круглый уровень; либо компенсатор, либо цилиндрический уровень, наглухо скрепленный с трубой. Тогда имеется элевационный винт для приведения пузырька уровня в нуль пункт. Изображение половинок пузырька передается в поле зрения трубы.
Перед взятием отсчетов пузырек приводится в нуль-пункт элевационным винтом (рис. 4.5). При работе нивелиром с компенсатором прибор должен быть предварительно приведен в горизонтальное положение по поверенному круглому уровню.
Рис. 4.5. Поле зрения трубы нивелира с цилиндрическим
контактным уровнем.
Перед началом производственных работ с нивелиром, необходимо выполнить исследования, поверки и при необходимости юстировку. Порядок выполнения исследований, поверок и юстировок приводится в паспортах приборов.
Нивелирные рейки
Нивелирные рейки представляют собой деревянные бруски шириной до 10 см, толщиной 2-3 см и высотой 3-4 м (рис. 4.6). Обычно рейки складные на шарнирах или раздвижные. Но бывают и цельные рейки (для точного нивелирования). Нижняя часть рейки называется пяткой - от нее начинается отсчет делений. Рейки делаются двухсторонними: на одной стороне нанесены черные деления (черная сторона), на другой - красные (красная сторона).
Рис. 4.6. Нивелирные рейки. а) – цельная; б) – складная; в) –
раздвижная.
На черной стороне нуль совмещен с пяткой, на красной - пятка имеет некоторый отсчет, больший 4 м (максимальная высота реек). Обычно он равен 4687 или 4787 мм. При нивелировании черная сторона является основной, а красная - контрольной. Разность отсчетов по черным и красным сторонам рейки должна быть равна разности пяток. Расхождение в разности отсчетов допускается в пределах точности нивелирования (для технического 5 мм). Рейки имеют ручки для удержания и иногда - круглые уровни для приведения их точно в вертикальное положение.
Выпускаются следующие виды реек:
РН-05 инварная односторонняя, трехметровая, деления через 0.5 см - для высокоточного нивелирования;
РН-3 деревянная двухсторонняя, длиной 1500, 3000, 4000 мм для нивелирования с погрешностью 3 мм на 1 км хода;
РН-10 деревянная двухсторонняя длиной 4000 мм для нивелирования с погрешностью 10 мм на 1 км хода. При нивелировании рейки устанавливаются на верхний ровный срез деревянных кольев, вбитых в землю, металлические башмаки, костыли или на "твердые" точки местности (рельсы, бордюры и т.п.).
Лазерные и кодовые приборы для геометрического
Нивелирования
Лазерные нивелиры - визуализируют визирный луч, образуя плоскость вращения нивелира (рис. 4.7). При пересечении плоскостью вращения вертикальной специальной рейки, на них высвечивается горизонтальная линия, от которой отсчитываются превышения. Используются визуальная или фотоэлектрическая индикация. Один нивелир обслуживает сразу несколько реек. Выпускаются: лазерный визир ЛВ5М, лазерная приставка ПЛ-1, лазерный нивелир с вращающимся лучом Геоплан 300 (скорость 12 об/мин).
Кодовые нивелиры имеют встроенную микро-ЭВМ и используют рейки с закодированными делениями. После ввода информации в ЭВМ об отметках начального и конечного реперов, выполняют наведение на рейки и нажатие клавиши "отсчет", после чего все вычисления выполняются автоматически. Используется кодовый нивелир RENI 002A. Погрешность 0.2 мм на 1 км хода.
Рис. 4.7. Лазерный нивелир. а) – общий вид; б) – отсчет по рейке; в) – положение нивелира для развертки горизонтальной плоскости.