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 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.
Нивели́р (от фр. niveler — «уравнивать», «ставить в уровень») — геодезический инструмент для нивелирования, то есть определения разности высот между несколькими точками земной поверхности. Основной метод определения превышений Геометрическое нивелирование.
Для приведения нивелира в рабочее положение служат подъёмные винты подставки, для точного горизонтирования визирной оси при взятии отсчёта — элевационный винт.
Маркировка нивелиров, выпускаемых в России, состоит из буквенно-цифрового кода примерно такого вида: 3Н2КЛ. Здесь цифра 3 обозначает модификацию прибора, буква Н — нивелир, цифра 2 — среднеквадратическая погрешность на 1 километр двойного хода в миллиметрах, К — наличие компенсатора, Л — наличие горизонтального лимба для измерения горизонтальных углов (обычно с точностью порядка одного градуса).
Современные оптические нивелиры оснащены автоматическим компенсатором — устройством автоматической установки зрительной оси прибора в горизонтальное (рабочее) положение. В нивелирах с компенсатором цилиндрический уровень, параллельный оси зрительной трубы, может отсутствовать. В большинстве нивелиров также имеется круглый уровень для грубого горизонтирования инструмента.
Все оптические нивелиры имеют также нитяной дальномер для определения расстояний по рейке. Это связано с необходимостью контролировать равенство плеч при нивелировании способом «из середины».
По точности нивелиры делятся на высокоточные, точные и технические. Высокоточные оптические нивелиры снабжены микрометренной пластиной или съёмной насадкой для взятия отсчётов по штриховой инварной рейке. Для технического нивелирования, а также нивелирования III и IV классов точности обычно применяются шашечные рейки.
Помимо оптических, в последние годы получили распространение цифровые нивелиры. Они используются со специальной штрихкодовой рейкой, что позволяет автоматизировать взятие отсчёта. Цифровые нивелиры обычно оснащены запоминающим устройством, позволяющим сохранять результаты наблюдений.
В настоящее время существует терминологическая путаница понятий построитель плоскостей и Лазерный нивелир. Сам по себе такой прибор не является измерительным, то есть нивелиром. Однако при наличии измерительной нивелирной рейки и достаточной стабильности указания уровня (в соответствии требованиями точности измерения для оптических нивелиров по ГОСТ 10528-90), эти приборы можно считать нивелирами. Если же требования по точности измерения, которые можно выполнить по проецируемой линии, не соответствуют этим требованиям, подобные приборы следует считать лазерными уровнями (большинство бытовых приборов), что соответствует функциям строительных уровней согласно ГОСТ 9416-83 по проверке горизонтальных и вертикальных плоскостей, но не измерению разности высот.
Нивелиром называют геодезический прибор, предназначенный для измерения превышений методом геометрического нивелирования. По своей точности нивелиры подразделяются на высокоточные, точные и технические. Высокоточные нивелиры предназначены для выполнения наиболее точных работ — нивелирования I и 11 классов, точные — для нивелирования 111 и IV классов, технические — для инженерно-технических работ, в том числе для технического нивелирования. Примером технического нивелира является нивелир Н-3 (рис. 7.2).
Рис. 7.2. Нивелир Н-3:
- 1 — объектив; 2 — зрительная труба; 3 — защитный колпачок; 4 — диоптрийное кольцо; 5 — цилиндрический уровень; б — подставка; 7 — подъемные винты; 8 — пружинящая пластина; 9 — кремальера; 10 — визир; 11 — закрепительный винт; 12 — наводящий винт; 13 — круглый уровень; 14 — исправительный винт;
- 15 — элевационный винт
Нивелир Н-3 имеет подставку, расположенную на трех подъемных винтах. Для визирования используется зрительная труба с внутренней фокусировкой, имеющая сетку нитей. Для установки трубы по глазу — получения четкого изображения сетки нитей — используется диоптрийное кольцо окуляра. Для установки трубы по предмету — получения четкого изображения наблюдаемого предмета (рейки) — предназначена кремальера, при вращении которой внутри трубы перемещается фокусирующая линза.
Для быстрого приведения прибора в рабочее положение служит круглый уровень, его цена деления равна 5′. Для точного приведения визирной оси зрительной трубы в горизонтальное положение предназначен цилиндрический уровень. Цилиндрический уровень нивелира имеет такую же конструкцию, как и цилиндрический уровень теодолита. Отличие заключается только в его более высокой чувствительности, цена деления цилиндрического уровня нивелира составляет 15". Цилиндрический уровень нивелира жестко скреплен со зрительной трубой, поэтому при наклонах цилиндрического уровня наклоняется и визирная ось зрительной трубы. И наоборот: при наклонах зрительной трубы наклоняется цилиндрический уровень, вследствие чего происходит перемещение его пузырька. Для приведения пузырька цилиндрического уровня в нуль-пункт слу-
жит элевсщионный винт. Одновременно с перемещением пузырька цилиндрического уровня в нуль-пункт визирная ось зрительной трубы занимает горизонтальное положение.
Рис. 7.3. Поле зрения нивелира
Цилиндрический уровень является контактным. Это означает, что нивелир имеет специальную оптическую систему для передачи изображения концов цилиндрического уровня в поле зрения зрительной трубы (рис. 7.3). Если пузырек цилиндрического уровня находится в нуль-пункте, то изображения концов его пузырька в поле зрения трубы совпадают, что представлено на рис. 7.3, б. Если пузырек цилиндрического уровня не находится в нуль-пункте, то в поле зрения трубы изображения концов цилиндрического уровня расходятся так, как в увеличенном масштабе показано на рис. 7.3, а. Отсюда следует, что для приведения визирной оси зрительной трубы в горизонтальное положение необходимо с помощью элевационного винта совместить изображения концов пузырька цилиндрического уровня в поле зрения зрительной трубы.
Для плавного перемещения зрительной трубы по горизонту служит наводящий винт зрительной трубы, который работает только при закрепленном положении закрепительного винта зрительной трубы. Увеличение зрительной трубы нивелира составляет 30 х , поле зрения — Г20".
Существуют нивелиры с самоустанавливающейся линией визирования. Для этой цели служат компенсаторы — специальные призмы, подвешенные на тонких металлических нитях. С помощью круглого уровня прибор приводится в рабочее положение. Если при этом отклонение оси вращения прибора от отвесной линии не превышает 5′, то с помощью компенсатора визирная ось нивелира автоматически приводится в горизонтальное положение.