Нивелир.

Назначение и устройство.

Работа с невилиром.

Нивелированием называется совокупность измерений на местности, в результате которых определяют превышения между точками местности с последующим вычислением их высот относительно принятой поверхности. На территории Российской Федерации исходной поверхностью является уровень Балтийского моря (Балтийская система высот), т.е. нуль Кронштадтского футштока. Существует несколько методов нивелирования: геометрическое; тригонометрическое; физическое; механическое; стереофотограмметрическое.

Геометрическое нивелирование заключается в непосредственном определении разности высот двух точек с помощью горизонтального луча визирования. Геометрическое нивелирование производят специальными приборами – нивелирами, обеспечивающих горизонтальное положение линии визирования в процессе измерений.

Выполнение лабораторных работ преследует следующие цели:

Изучить устройство нивелиров;

Научиться выполнять поверки и юстировки нивелиров;

Приобрести практические навыки работы с нивелиром, уметь определять превышения с помощью нивелира.

По результатам выполненных работ оформляется отчёт, включающий краткую пояснительную записку со схемами, рисунками и результатами проведенных измерений. Отчёт подлежит защите.

В процессе выполнения лабораторных работ студент должен изучить устройство как отечественных нивелиров, таки и зарубежных, уметь вести работы нивелирами с уровнем при трубе и с компенсатором; самостоятельно производить все измерения, вычисления, строго следить за тщательностью и аккуратностью заполнения журналов, выполнением поверок, с особым вниманием производить вычислительные работы.

Лабороторная работа №1 Назначение и устройство нивелира

Задача выполнения лабораторной работы – изучить устройство нивелира с компенсатором.

Нивелиры и их классификация

Нивелир – геодезический прибор для определения превышений между точками местности с помощью горизонтального визирного луча.

Нивелиры различаются по двум основным признакам: по точности и по способу приведения визирной оси в горизонтальное положение.

По точности нивелиры делятся на три типа:

Высокоточные Н-05 для нивелирования I и II классов;

Точные Н-3 для нивелирования III и IV классов;

Технические Н-5 для обоснования топографических съёмок, определения высот точек при инженерно-геодезических изысканиях и строительстве.

По способу установки визирной оси в горизонтальное положение различают два типа нивелиров:

Нивелиры с уровнем при зрительной трубе (Н-05, Н-3, Н-10);

Нивелиры с компенсаторами (Н-05К, Н-3К, Н-10К).

Цифры в шифре каждого типа нивелира означают среднюю квадратическую погрешность определения превышения (в мм) на 1 км двойного хода. У нивелиров первого типа зрительная труба и цилиндрический уровень скреплены вместе и могут наклоняться на небольшой угол относительно подставки прибора с помощью элевационного винта.

Рисунок 1. Нивелир с уровнем при зрительной трубе.

1 – Подъёмные винты;

2 – Круглый уровень;

3 – Визир;

4 – Объектив зрительной трубы;

5 – Окуляр зрительной трубы с диоптрийным кольцом;

6 – Контактный цилиндрический уровень;

7 – Юстировочные винты цилиндрического уровня

8 – Закрепительный винт;

9 – Наводящий винт;

10 – Элевационный винт;

11 – Кремальера;

12 – Подставка.

У нивелиров «с уровнем при трубе» зрительная труба и цилиндрический уровень скреплены вместе и могут наклоняться на небольшой угол относительно подставки прибора с помощьюэлевационного винта, что облегчает приведение визирной оси в горизонтальное положение по цилиндрическому уровню. Главное условие, предъявляемое к таким нивелирам – взаимная параллельность визирной оси V-V и оси цилиндрического уровня U-U(рис. 1). Присоблюдении этого условия визирная ось зрительной трубы 1 займет горизонтальное положение после установки пузырька цилиндрического уровня 2 в нуль-пункт.

У нивелиров с компенсаторами (с самоустанавливающейся линией визирования) приближённая установка оси вращения прибора производится по круглому уровню; после этого в работу включается компенсатор, который автоматически приводит визирную ось в горизонтальное положение.

Главное условие, предъявляемое к нивелирам данного типа – горизонтальность визирной оси в пределах углов стабилизации компенсатора (±8-25"). Нивелиры с компенсаторами в последние годы получили широкое распространение в инженерно-геодезической практике, так как обеспечивают более высокую производительность труда, особенно при работе на неустойчивых грунтах.

Точные и технические нивелиры могут изготавливаться также с лимбами для измерения горизонтальных углов; при этом в шифре нивелира добавляется буква «Л» (например, 3Н-5Л).

В геодезической практике наибольшее распространение получили точные нивелиры Н-3, и технические 3Н-5Л, НС-4, а также зарубежные модификации нивелиров SETL DSZ-3, VEGA L24 и др.

В настоящее время в различных строительных и ремонтных работах все чаще используются точные современные измерительные приборы - нивелиры. Эти приборы позволяют измерять разницу в высоте между двумя отдаленными друг от друга точками пространства, весь такой процесс измерения называется нивелированием. У профессионалов принято различать гидростатическое, тригонометрическое, барометрическое и геометрическое нивелирование.

Нивелиры также различаются между собой. По типу конструкции и принципу работы выделяют широко известные оптические нивелиры, электронные (они же «цифровые») и лазерные нивелиры.

Оптический нивелир представляет собой специальный геодезический прибор для геометрического нивелирования, в корпусе которого находится зрительная труба с окуляром, прикрепленная к подставке и опорной площадке при помощи системы винтов, позволяющих ей вращаться в разные стороны по горизонтали. Подъемные винты оптического нивелира служат для укрепления прибора в рабочем положении, а для осуществления горизонтального движения при взятии точки отсчета используется элевационный винт. В современных оптических нивелирах для того, чтобы удерживать горизонтальную визирную ось используют автоматические компенсаторы, что позволяет увеличить точность и скорость производимых измерений.

Электронные нивелиры являются современными геодезическими приборами, позволяющими получать наиболее точные результаты измерений. В их конструкции и принципе работы удачно сочетаются функции точного оптического нивелира с новейшими цифровыми технологиями используемого запоминающего устройства со встроенным программным обеспечением, позволяющим производить оперативную обработку результатов производимых измерений и фиксирующим результат с высокой степенью точности.

Наибольшей популярностью сегодня пользуются лазерные нивелиры , используемые при проведении различных строительных работ. Широта сферы применения и простота использования этих приборов объясняется особенностями конструкции и принципа работы, на котором функционируют все лазерные нивелиры.

Принцип работы этих приборов кардинально отличается от предыдущих моделей оптического и электронного нивелиров. Основа их конструкции - лазерные излучатели, подающие лучи лазера через оптическую призму в открытое пространство. При этом два, исходящих из нивелира лазерных луча образуют во внешнем пространстве две идеально ровные перпендикулярно пересекающиеся плоскости. Ориентируясь на эти плоскости, можно выравнивать различные поверхности (стены, полы, дверные проемы) и выполнять другие виды ремонта. Работающие по такому принципу нивелиры называются статичными или, иначе - позиционными.

Существует и другой тип подобных лазерных измерительных приборов - ротационные нивелиры . Работают они быстро благодаря использованию электродвигателя, вращающего лазерный излучатель на 360 градусов. Вместо призм в них используется фокусирующая линза, которая создает видимую глазом точку во внешнем пространстве, превращающуюся в идеально прямую линию между нивелиром и поверхностью. Такие нивелиры больше всего подходят для отделочных ремонтных работ, таких как поклейка обоев, выкладка плитки, установка плинтусов и т.д.

Еще несколько статей из раздела " "

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.

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

В зависимости от точности нивелирование делят на четыре класса: I, II, III, IV, составляющие государственную опорную высотную сеть, и техническое нивелирование, выполняемое обычно при строительстве и при создании съемочного обоснования.

Нивелирные ходы I класса прокладывают по железным и шоссейным дорогам в различных направлениях страны. С целью излучения движения земной коры производится повторное нивелирование ходов I класса не реже чем через 25 лет.

Ходы нивелирования II класса образуют полигоны с периметром 500-600 км, опирающиеся на пункты нивелирования I класса. Нивелирование II класса прокладывают преимущественно по железным, шоссейным и улучшенным грунтовым дорогам, а также вдоль больших рек.

Нивелирование I и II классов, примыкающее к морям, связывают по высоте с морскими водомерными постами (мареографами). Нивелирные ходы I и II классов прокладывают в прямом и обратном направлениях.

Ходы нивелирования III класса прокладывают между пунктами I и II классов, причем нивелируют их в прямом и обратном направлениях. Нивелирование IV класса является сгущением нивелирной сети III класса и служит непосредственным высотным обоснованием для топографических съемок.

Для решения различных задач инженерного характера, например при строительстве городов, крупных поселков и промышленных предприятий, инженерных сооружений (гидроэлектростанции, водопровод, канализация, оросительные и осушительные системы и др.) допускается проложение нивелирных ходов II, III и IV классов по схеме, удобной для строительства, но с обязательной привязкой к государственной нивелирной сети, чтобы обеспечить проложение всех нивелировок в стране в единой государственной системе высот.

Знаки нивелирные

Знаки, закладываемые с целью отметить и закрепить на местности пункты геометрического нивелирования. Существуют следующие виды 3. н.

· Фундаментальный репер I типа - железобетонный монолит в виде четырехгранной усеченной пирамиды с основанием-плитой на глубине не менее 2,5 м от поверхности земли и верхней гранью на глубине 1 м. В плиту основания и верхнюю грань заделывают металлические марки со сферической головкой.

· Грунтовый репер, состоящий из железной трубы или отрезка рельса, заделываемых в бетонные монолиты; верхний конец трубы должен быть на глубине 1 м от поверхности для фундаментального репера II типа и 30 см для обычных реперов. В верхний конец трубы и верхнюю грань монолита заделываются марки со сферической головкой.

· Стенные чугунные марки с углублением в центре для штифта подвесной рейки.

· Стенные чугунные реперы, отличающиеся от марок тем, что имеют выступ для установки на него рейки.

44. Нивелиры и рейки

Нивелир – геодезический прибор, используемый в геодезии, при помощи которого строятся нивелирная сеть и прокладываются нивелирные ходы, являющиеся основой топографических съемок и геодезических измерений, с целью определения превышения точек земной поверхности относительно друг друга.

Государственная нивелирная сеть в зависимости от точности подразделяется классы: I, II, III и IV.
Нивелирная сеть I класса строится отдельными линиями, прокладываемыми преимущественно вдоль железных дорог. Она обеспечивает территорию государства единой системой высот. При нивелировании сети I класса используют нивелиры высокой точности. Такие геодезические приборы могут быть снабжены микрометром с ценой деления 0,05 мм.

Нивелирная сеть II класса, опираясь на пункты сетей нивелирования I класса, прокладывается, как правило, по железным, шоссейным и другим улучшенным дорогам в виде полигонов с периметром 500-600 км. При выполнении геодезических измерений такой точности используют высокоточные нивелиры и штриховые рейки с инварной полосой.

Нивелирная сеть III класса строится внутри полигонов нивелирования I и II классов, как отдельными линиями, так и системами ходов с узловыми точками. При этом полигон II класса делится на 6-9 полигонов III класса с периметрами 150-200 км каждый. Для получения пунктов нивелирования такого класса применяют точные уровенные нивелиры. Рейки применяют трехметровые шашечные двусторонние с сантиметровыми делениями.

Построение нивелирных ходов IV класса осуществляется отдельными линиями на исходные пункты, или системами ходов с узловыми точками. Пункты нивелирования IV класса служат непосредственным обоснованием топографических съемок и основой для различного рода строительства.

Нивелирование – вид геодезических работ, при которых определяются разности высот точек (превышений) на поверхности земли. При чем существует несколько методов ведения таких работ:

· геометрическое нивелирование;

· тригонометрическое нивелирование;

· гидростатическое нивелирование;

· барометрическое нивелирование.

Самый распространенная методика - это геометрическое нивелирование. Способ геометрического нивелирования заключается в непосредственном определении превышений с помощью специального прибора – нивелира, дающего горизонтальную ось визирования, и нивелирных реек с градуировкой, вертикально установленных в данных точках земной поверхности.

Основные составляющие нивелира:

· устройство наведения - зрительная труба;

· алидадная часть, цилиндрический уровень или заменяющий его компенсатор,

· цилиндрический уровень или заменяющий его компенсатор,

· подставка нивелира, связанные с ней ось и три подъемных винта.

Данные геодезические приборы производят в различном исполнении: оптические, электронные, лазерные. Оптический нивелир – наиболее востребованный геодезический прибор, широко используемый в строительстве; электронный (цифровой) нивелир – с электронным устройством и программой для обработки результатов измерения, используется для высокоточных измерений; лазерный нивелир (например, ротационный) – в основе имеет вращающийся лазерный луч, не требует высоких профессиональных познаний при пользовании.

Перед началом полевых измерений общим осмотром, поверками и исследованиями убеждаются в пригодности нивелира для производства работ определенной точности.

Общим осмотром устанавливают состояние геодезического прибора в отношении исправности уровней, подъемных, исправительных, элевационных, зажимных и наводящих винтов, штатива и комплектности принадлежностей. Особое внимание при этом уделяют чистоте оптики, плавному вращению прибора относительно вертикальной оси, четкости изображения сетки нитей и пузырька контактного уровня.

Поверкой нивелира выявляют отступления от требований к взаимному расположению осей геодезического прибора и достаточно полно устраняют эти отклонения.

На рынке России предлагаются нивелиры производства SETL, УОМЗ, Topcon, Trimble, Sokkia и мн. др.

Работа с нивелиром не представляется возможной, конечно, без штатива и рейки для нивелира. Нивелирные рейки служат для измерения высот точек, что определяет величину превышения. Нивелирные рейки различают по материалу изготовления: инварные, алюминиевые и деревянные. Корпус большинства деревянных нивелирных реек выполняют в форме бруска длиной 3 – 4 метра из хорошо выдержанного дерева, пропитанного маслом. Лицевую сторону окрашивают светлой краской, и на ней наносят шашечные или штриховые шкалы. Нивелирные рейки изготавливают как цельные, так и складные.
В рабочем (вертикальном) положении рейка устанавливается на выступ металлического башмака. Отвесное положение рейке придается при помощи круглого уровня, привинченного к ее боковой грани. Чтобы убедиться в пригодности нивелирной рейки для нивелирования, внешним осмотром устанавливают четкость делений, отсутствие прогиба, исправность уровня и пятки.

45.Устройство нивелиров

46.Поверки и юстировки нивелиров