и их исследования

Лабораторная работа № 3
ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА НИВЕЛИРОВ С КОМПЕНСАТОРАМИ
И ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ
Цель работы: изучить конструктивные особенности компенсаторов, порядок неполной
разборки и сборки нивелиров с компенсаторами, основные неисправности и их устранение;
исследовать параметры компенсатора: время затухания tk диапазон работы компенсатора vk,
случайную погрешность компенсатора (среднюю квадратическую погрешность) mk,
систематическую погрешность работы компенсатора k.
Приборы и принадлежности: нивелир типа Н-ЗКЛ (НИК-2), реечка с миллиметровыми
делениями шкалы, секундомер, набор часовых отверток, шпилька, три деревянные палочки, вата,
спирт, бензин, веретенное масло, ветошь.
Содержание и порядок выполнения работы
Главное условие нивелира с компенсатором: визирная ось в пределах работы компенсатора
должна быть горизонтальна в момент визирования на рейку.
При наклонах зрительной трубы в пределах работы компенсатора визирная ось должна
соответствовать горизонтальному положению. В настоящее время наибольшее распространение
получили схемы с оптико-механическими компенсаторами.
Принцип действия оптико-механического компенсатора показан на рис. 1. Здесь: при
горизонтальном положении визирная ось проходит через точку П на рейке, центр объектива
(главную точку Н объектива) и перекрестие сетки нитей С. Однако, во время работы с прибором
зрительная труба может наклониться на угол g, поэтому отсчет П будет смещен относительно
перекрестия сетки нитей и составит П1.
Компенсатор, установленный в точке К, приводит изображение точки П автоматически в
перекрестие сетки нитей С,. При этом выполняется основное уравнение компенсации (1). Из
геометрии видно, что:
(1)
f sin  = S sin
П1
П
Рейка
сетка нитей
Рис.1. Схема оптико-механического компенсатора
При расчетах схем компенсаторов, из-за малого значения углов и , используют уравнение
вида:
 = S
(2)
Чтобы получить необходимый для компенсации угол  при наклоне зрительной трубы на угол
, в большинстве случаев используют маятниковые системы подвески компенсаторов, и которых
оптическая деталь (призма, зеркало или линза) подвешенна или на тонких бериллиевых нитях,
модуль нормальной упругости которых равен 31000 кг/мм2, или на плоской пружине (как в
нивелирах НИК-2 и НИК-2М).
И настоящее время известны схемы нитяных подвесок компенсаторов, изображенные на рис. 2.
На схемах приведен коэффициент механической компенсации Км = /.
В общем случае для схем подвесок, приведенных на рис. 2, получена приближенная формула
для расчета Км в зависимости от геометрических размеров подвески и положения цетра
тяжести:
Км= 4ab 2c/4b 2c 2+c(a-c)3+4hL(a-c)2 (3)
где а = АВ, с=СД, в =АД=ВС – для подвесок на параллельных нитях и виде трапеции,
в= АС= ДВ – для подвесок на скрещивающихся нитях; h - расстояние между основанием СД
подвески и корпусом АВ,
(4)
L - расстояние от центра тяжести подвешенной части до основания СД (положительно, если
центр тяжести находится ниже основания СД, отрицательно, если центр тяжести выше основания
СД). Знак " + " в формуле (2) соответствует подвескам на параллельных нитях, знак " - " подвескам на скрещивающихся нитях.
А
В
В
В
Д
Г
Е
Рис. 2. Схемы нитяных подвесок компенсаторов:
а, в, г - обратный шарнирный четырехугольник;
б, д, е - прямой шарнирный четырехугольник
В соответствии с уравнением (1) работает и схема с жидкостным компенсатором, приведенная
на рис. 3.
Рис. 3. Принципиальная схема работы жидкостного компенсатора:
1,3 - призмы АР-90"; 2 - кювета с жидкостью, содержащей 1,4-1,8%
этилового спирта и 98,6-98,2% бензилацетата
Преимущество схемы состоит в том, что она может стабилизировать ось в пространстве сразу
по двум координатам. Жидкостной компенсатор используют в лазерных нивелирах, приборах
вертикального проектирования и электронных тахеометрах.
Рассмотрим принципиальную схему с линзовым компенсатором (рис. 4).
Компенсатор представляет собой положительную 2 и отрицательную 1 линзы. Линза 1 жестко
скреплена со штангой 3, подвешенной на нитях. Линза 2 закреплена в оправе объектива.
Рис. 4. Принципиальная схема с линзовым компенсатором
Линзы компенсатора имеют фокусные расстояния, отличающиеся между собой на значение
зазора между ними, что позволяет не нарушать телескопичность зрительной трубы при смещении
отрицательной линзы компенсатора.
Уравнение компенсации для этой схемы имеет вид:
/l=a/b=KK’=Kм
(5)
где f - фокусное расстояние объектива; а = АВ - расстояние между точками закрепления нитей к
трубе; b= ED - расстояние между точками закрепления к рычагу 3; l - расстояние от главной точки
подвижной линзы компенсатора до середины между точками Е и Д крепления нитей к рычагу 3;
K' - постоянный коэффициент, зависящий от упругости нитей, нагрузки на них и положения
центра тяжести нагрузки; Км = /= 2,3 -коэффициент механической компенсации.
Схема с линзовым компенсатором использована в нивелире НСМ-2А.
На рис. 5 приведена принципиальная схема нивелира Ni-007 предприятия "Карл Цейс" с
компенсатором маятникового типа. Умножительная призма 5 при наклоне зрительной трубы на
угол g смещает визирный луч на значение  = , уравнение компенсации для данного
компенсатора имеет вид:
l=’/2,
где l - длина маятника.
(6)
Рис. 5. Принципиальная схема нивелира Ni-007:
1 - пентапризма; 2 - объектив; 3 - фокусирующая линза; 4 - призма-крыша
(служит для получения прямого изображения); 5 - призма БР-180"; 6 - маятник;
7 - сетка нитей; 8 - окуляр; 9 - защитное стекло. Оптическая схема отсчитывания
по лимбу не показана
Диапазон работы такого компенсатора порядка ±10'. Поворачиваемая пентапризма 1 служит
оптическим микрометром.
На рис. 6 показаны принципиальная схема и принцип работы призменного компенсатора,
подвешенного на бериллиевых нитях
Рис. 6. Принципиальная схема (а) и схема действия (б) призменного компенсатора:
1 - объектив; 2 - фокусирующая линза; 3 - призма-компенсатор;
4 - бериллиевые нити; 5 - призма АР-90°; 6 - сетка нитей; 7 - окуляр;
8 - воздушный демпфер
Эту схему используют в точных нивелирах типа Н3К . Здесь К м < -1. При наклоне зрительной
трубы на угол g перекрестие сетки нитей С смещается в положение С1. Компенсатор сдвигает
изображение правильного отсчета П в новое положение перекрестия сетки нитей на значение
 = 1 + 2
(7)
Полагают , что, из-за малости угла наклона , изменение расстояний l и S мало, и записывают
уравнение компенсации в виде:
’ =2lKM + 2S(KM+1)
или
KM = -2S/2(l+S)
Задаваясь значениями , S и l, вычисляют геометрические размеры подвески компенсатора.
Для нивелира Н-ЗК значения Км = 2,62 :/: 3,143. При сборке прибора изменяют значение S до тех
пор, пока погрешность компенсации не будет минимальна.
На этом принципе разработаны схемы нивелиров 3Н-3КЛ (рис. 7) и 4Н-2КЛ (рис. 8).
Рис. 7. Принципиальная оптико-механическая схема нивелира ЗН-ЗКЛ:
1 - объектив; 2 - фокусирующая линза; 3 - призма-компенсатор АР-60";4 - призма БкУ-60°; 5 сетка нитей; 6 - окуляр; 7 — подвижные опоры;8 - бериллиевые нити; 9,15 –
магнитоиндукционные демпфер (поз. 15 одновременно выполняет роль балансира); 10 - грузики;
11 - стопорный винт; 12 - маятник; 13 - винт; 14 - прокладка
В нивелире 4Н-2КЛ (см. рис. 8) световой поток через клин 1 (служит для исправления
главного условия нивелира) попадает на объектив 2 и через него на плоское зеркало 3
(компенсатор), изображение предмета получают в плоскости сетки нитей, выгравированной на
плоской поверхности призмы 4, призма 4 приклеена к плоской поверхности линзы объектива 2.
Изображение предмета рассматривается через микроскоп с увеличением 30 х, состоящий из
пентапризмы 5, микрообъектива 6, полевой диафрагмы 7 и окуляра 8. Фокусировку по предмету
осуществляют перемещением оправы 12 вместе с компенсатором 3. Зеркало-компенсатор
подвешено на нитях, при этом коэффициент механической компенсации выбирают в соответствии
со схемой, приведенной на рис. 2, в. При совмещении главной плоскости объектива 2 с
плоскостью сетки нитей может быть применена схема, приведенная на рис. 2, а. Для устранения
систематической погрешности компенсации предусмотрена возможность регулировки зазора L
(см. рис. 8).
Рис. 8. Принципиальная оптико-механическая схема нивелира 4Н-2КЛ:
1 - клин; 2 - объектив; 3 - плоское зеркало-компенсатор; 4 - призма АР-90° с сеткой нитей;
5 - пентапризма; 6 - микрообъектив; 7 - полевая диафрагма; 8 - окуляр; 9 - четыре бериллиевые
нити; 10 - опоры; 11 - демпфер; 12 - подвижная оправа
На рис. 9 показан функциональный блок призменного маятникового типа компенсатора
нивелира Н-ЗКЛ, на рис. 10 -ход лучей в его призмах.
Рис. 9. Функциональная схема блока компенсатора нивелира Н-ЗКЛ:
1 - призма АР-9О0 (расположена за призмой 2; показана на рис. 69); 2 – призма БР-180";
3 - призма компенсатора БР-180°; 4 - призма АР-90°; 5 - маятник;6 - четыре бериллиевые нити;
7 - балансир для регулировки чувствительности компенсатора; 8 - корпус блока компенсатора;
9 - три регулировочных винта стакана 10 демпфера; 11 - регулировочный винт чашки,
12 демпфера; 13 – ось ограничивающая маятник от разворотов в горизонтальной плоскости и
обрыванитей; 14 - четыре отверстия крепления блока компенсатора к корпусу трубы;
15 - кронштейн для крепления призмы 4; 16 - винт устранения систематической погрешности
работы компенсатора; 17 - гайка балансира
Расчет компенсатора выполняют согласно уравнению (5).
Перемещение подвижной детали компенсатора, как в нивелире 4Н-2КЛ, автоматически
исключает возможное при фокусировании колебание визирной оси.
В процессе измерений на нивелиры оказывают влияние вибрации почвы, ветер,
перемещения наблюдателя и другие динамические нагрузки. Указанные факторы вызывают
колебания чувствительного элемента компенсатора и затрудняют процесс измерений.
Рис. 10. Ход лучей в призменной системе компенсатора нивелира Н-ЗКЛ:
1,4- призмы АР-90"; 2 - призма БР-1800; 3 - призма БР-1800 (компенсатор)
ГОСТ 10528-76 регламентирует время затухания tK - продолжительность свободных
колебаний или до полного успокоения чувствительного элемента, или до таких его амплитуд,
которые не влияют на точность отсчитывания (не воспринимаются глазом наблюдателя).
Для геодезических приборов в основном используют три ниш демпферов, гасящих
колебания: воздушные (крыльчатые и поршневые (например, в нивелире Н-ЗКЛ)),
жидкостные и магнитоиндукционные (например, в нивелире 4Н-2КЛ).
В нивелире Н-ЗКЛ инженер-геодезист должен уметь промерить выполнение главного условия
нивелира и при необходимости устранить неисправность, устранить разворот сетки нитей
относительно отвесной линии, устранить систематическую погрешность и отрегулировать
чувствительность идиоты компенсатора, исправить демпфер, почистить и смазать осевую
систему, отрегулировать плавность хода подъемных винтов подставки, заменить пружину
червячного механизма наводящего винта, заменить и отъюстировать положение' ампулы
круглого уровня. В процессе разборки-сборки необходимо соблюдать правила, указанные в
разделе 3.
Ось 1 нивелира (рис. 11) с двух сторон опирается на закаленные полированные шайбы 2 и 4,
плавность поворота ее во втулке 3 регулируют зажатием гайки 5. Для уменьшения силы трения во
втулке 3 делают выборку 6. Доступ к осевой системе нивелира осуществляют после отделения
подставки, вывинчивания стопорного винта гайки 5 и самой гайки, а также четырех винтов
основания.
Рис.11 Осевая система нивелира Н-3КЛ
Для регулировки выполнения главного условия и углового смещения сетки нитей необходимо
снять защитный колпачок, легко обхватив его и вращая против хода часовой стрелки.
Невыполнение главного условия в нивелире Н-ЗКЛ исправляют смещением сетки нитей в
вертикальной плоскости двумя винтами, расположенными над и под оправой окуляра (в нивелире
Н-ЗК с одной стороны оправа сетки нитей подпружинена). При этом для смещения сетки нитей,
например, вниз необходимо ослабить нижний винт примерно на четверть оборота, затем
довернуть верхний винт примерно на столько же, одновременно наблюдая за смещением
изображения рейки с горизонтальной нити до правильного отсчета, вычисленного при
выполнении поверки главного условия нивелира. По окончании юстировки оба винта должны
быть затянуты и повторно выполнена поверка.
Смещение сетки нитей от отвесной линии исправляют разворотом оправы окуляра после
ослабления четырех винтов крепления в пределах предусмотренных для этого пазов, например,
по отвесу - по вертикальной нити, или по удаленной точке предмета - по смещению ее с
горизонтальной нити (смещение должно быть не более, чем три толщины нити).
Для юстировки чувствительности компенсатора снимают крышку, затем, придерживая
отверткой балансир 7, вращают гайку 17 (см. рис. 9).
Для ремонта компенсатора необходимо снять заштифтованную крышку вместе с окуляром,
вывинтив для этого соответствующие винты крепления крышки.
Исправление систематической погрешности работы компенсатора осуществляют
ввинчиванием или вывинчиванием отверткой винта 16 (см. рис. 68), тем самым изменяя
расстояние S (см. рис. 1).
Корпус блока компенсатора 8 закреплен четырьмя винтами (два из них работают и как
штифты - необходимо запомнить их расположение), вывинтив которые, можно снять блок
компенсатора.
Натяжение бериллиевых нитей 6 исправляют, ослабив винт прокладки, при этом необходимо
следить за тем, чтобы ось 13 при отвесном положении маятника 5 не касалась корпуса 8,
исправляют только в мастерских.
Призмы блока компенсатора 1, 2, 4 жестко связаны с корпусом 8 (призмы 1 и 4 приклеены,
призма 2 закреплена через прокладку двумя винтами), смещая призму 2, изменяют соотношение
между f’ и l.
Регулировку зазора между стаканом и чашкой демпфера осуществляют, ослабив
регулировочный винт 11.
Неисправность наводящего винта, как правило, возникает после ослабления закрепительного
винта в рукоятке, что, как следствие, приводит к выталкиванию винта и смещению
подпружиненной полугайки.
Ремонт наводящего винта и горизонтального круга осуществляют, вывинтив четыре винта
крепления основания нивелира.
Методика регулировки плавности хода подъемного винта аналогична описанной выше в
разделе 3
В нивелире Н-ЗКЛ определенную сложность вызывает замена и регулировка положения круглого
уровня, закрепленного через толстую прокладку тремя винтами. Регулировка может быть
выполнена одновременно с исследованием диапазона работы компенсатора в двух взаимно
перпендикулярных плоскостях. При этом середина диапазона работы компенсатора должна
соответствовать нулевому положению пузырька круглого уровня. Пузырек круглого уровня
приводится в нулевое (верхнее) положение тремя исправительными (закрепительными) винтами.
На рис. 12 приведена оптическая схема нивелира НИК-2М, разработанного на Изюмском
приборостроительном заводе. Нивелир обеспечивает за счет введения оптического компонента 3
измерения на расстоянии до рейки от 0,5 м со средней квадратической погрешностью 2 мм на 1 км
хода, диапазон работы компенсатора 20', систематическая погрешность компенсатора 0,3",
увеличение зрительной трубы 31х
Рис. 12. Оптическая схема нивелира НИК-2М:
1 - объектив; 2 - фокусирующий компонент; 3 - компонент, обеспечивающий минимальное
расстояние при измерениях; 4,6 - призмы АР-90°; 5 - призма-крыша; 7 - сетка нитей; 8 - окуляр;
9 - выходной зрачок; 10 - бериллиевые ленты; 11 - корпус; 12 - точки закрепления бериллиевых
нитей
Исследование времени затухания компенсатора
Перед началом испытаний необходимо по круглому уровню отгоризонтировать прибор, затем
легким постукиванием по корпусу прибора в районе окулярной части убедиться в
работоспособности компенсатора. Если при постукивании наблюдают смещение горизонтальной
нити с точки предмета, а затем ее возврат, компенсатор работоспособен. Значение времени
затухания tK выявляют по секундомеру из 10 измерений с погрешностью не более 0,5 с.
Допускают время затухания не более 2с.
Исследование диапазона работы компенсатора
В полевых условиях нивелир устанавливают на штативе на расстоянии 70 - 75 м от
трехметровой рейки, в лабораторных условиях используют реечку с миллиметровыми
делениями, установленную на расстоянии примерно 10 метров. Один из подъемных винтов
подставки располагают по направлению на рейку.
Перед началом измерений определяют угол , на который наклоняют трубу нивелира при
повороте подъемного винта на один полный оборот головки 2 (см. рис. 52). Для этого подъемным винтом, установленным по направлению на рейку, наклоняют нивелир на такой угол, при
котором компенсатор не работает. Отсчитывают по рейке Al5 поворачивают подъемный винт в ту
же сторону на один полный оборот и отсчитывают по рейке А2. Угол наклона Р визирной оси
вычисляют как
 = (А2 – А1/S)
где S - расстояние от прибора до рейки в мм; ’ = 3438'.
№ измерения
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Время затухания tk сек ”
1,8
1,5
1,7
1,6
1,5
1,8
1,8
1,7
1,9
1,5
1,68
Допуск сек”
2,0
2,0
2,0
2,0
2,0
2,0
2,0
2,0
2,0
2,0
Продольный наклон
Объектив вверх
Угол
Отчет
наклона
по реечке,
1
2
мм
0 ’i
76,6
2,2
76,6
4,4
76,6
6,6
76,7
8,8
76,6
10,0
76,6
12,2
76,7
14,4
77,5
Объектив вниз
Угол
Отчет
наклона
по реечке,
3
4
мм
0 ’i
76,8
2
76,9
4
77,0
6
76,7
8
77,1
10
76,8
12
77,0
14
76,9
16
80,2
Влево
Угол
наклона
5
0 ’i
2,2
4,4
6,6
8,8
10,0
12,2
14,4
16,6
18,8
20
22,2
Боковой наклон
Вправо
Отчет
Угол
Отчет
по реечке,
наклона
по реечке,
6
7
8
мм
мм
76,7
0 ’i
76,7
76,6
2,2
76,8
76,6
4,4
76,6
76,9
6,6
76,8
76,8
8,8
76,7
76,9
10,0
76,8
76,7
12,2
76,8
76,7
14,4
76,7
76,7
16,6
76,6
76,6
18,8
76,8
76,8
20
76,6
80,5
22,2
76,7
24,4
80,4
При повороте винта на один шаг головки (выступ + впадина) прибор наклонится на угол
’I=’/n , где n - количество шагов.
По круглому уровню нивелир предварительно горизонтируют (i = 0’) и отсчитывают по рейке,
затем соответствующим подъемным винтом нивелиру придают наклон каждый раз на один шаг,
отсчеты по рейке записывают в табл. 1.
Изменение отсчета более, чем на 1 - 2 мм, свидетельствует о прекращении действия
компенсатора.
При исследованиях следят за положением пузырька круглого уровня.
Из табл. 1 следует, что в диапазоне углов наклона v = ± 14,4' компенсатор работает. Согласно
требований для нивелиров такого класса точности v > ± 15'. Более точно диапазон действия
компенсатора определяют на экзаменаторе, пользуясь микрометренным винтом экзаменатора, а
вместо рейки используя коллиматор с окулярным микрометром. Расширение диапазона работы
компенсатора ухудшает точность ориентирования прибора относительно отвесной линии и
увеличивает время затухания подвижного элемента.
Исследование случайной средней квадратической mk и систематической к
погрешностей работы компенсатора
При исследовании случайной и систематической составляющих погрешности работы
компенсатора нивелир и рейку располагают аналогично предыдущему исследованию. Результаты
записывают в табл. 2.
Оценку точности выполняют по следующим формулам:
mk =  (b2i /2n )/S
(8)
k = bi ”/S’
(9)
где bi - разность отсчетов по рейке для одного и того же угла наклона в прямом и обратном ходе
V = Вср – В0,
(10)
V - разность средних отсчетов по рейке из прямого и обратного ходов при наклоне оси нивелира
на угол v и при отсутствии наклона (v = 0'), S - расстояние от нивелира до рейки, в полевых условиях
выбирают, исходя из условия лучшей видимости наименьшего деления рейки:
S = 0.25vt/J
(11)
где v - увеличение трубы; t - цена деления рейки; J = t/10 - видимое значение наименьшего
деления рейки. При v = 30х , t = 10 мм имеем S = 75 м.
При исследованиях по реечке с ценой деления 1 мм было выбрано расстояние S = 7033 мм.
 кср =ki/n = -0,2’’/’
где n - количество установок прибора.
Таблица 2
Наклон
прибора
v’
+15
+13
+12
+09
+09
+03
00
-03
-06
-09
-12
-13
-15
Отче по реечке, мм
В прямом
В обратном
ходе в’, мм ходе в’’, мм
76,7
76,6
76,6
76,9
76,8
76,9
76,7
76,7
76,7
76,6
76,6
76,9
76,8
76,7
76,8
76,6
76,8
76,7
76,8
76,8
76,7
76,6
76,8
76,6
76,7
76.8
bi =
в’ - в’’,
мм
0.0
-0.2
0.0
+0.1
+0.1
+0.1
-0.1
0.0
+0.1
-0.2
0.0
+0.2
0.0
V =
Вср – В0
-0,05
0,0
0,0
-0,1
0,05
-0,1
0,0
0,0
-0,05
-0,1
-0,1
-0,1
-0,05
Вv=
в’+в’’/2, мм
В0=
76,70
76,70
76,60
76,85
76,75
76,85
76,75
76,70
76,65
76,70
76,60
76,80
76,80
ki =
V/Sv
”/’
-0,08
0,0
0,0
0,31
0,24
0,95
0,0
0,0
-0,24
-0,32
-0,24
-0,19
-0,08
 кср =ki/n = -0,2’’/’
где n - количество установок прибора.
Вывод. В результате проведенных исследований выявлено, что у нивелира Н-ЗКЛ № 8325:
1) время затухания компенсатора tk = 1,68 сек  tk доп = 2 сек,
2) диапазон работы компенсатора vK = 14,4'  n кдоп= 15',
3) случайная погрешность работы компенсатора mк = 0,38"  mк доп = 0,5",
4) систематическая погрешность работы компенсатора k =-0,2 kдоп = 0,3”/’
Прибор не требует ремонта, так как случайная погрешность работы компенсатора не
превышает допустимый предел.
Контрольные вопросы:
1. Принцип работы оптико-механического компенсатора наклона.
2. Основные схемы компенсаторов.
3. Основные причины, влияющие на точность самоустановки линии визирования.
4. Особенности поверок и исследований нивелиров с компенсаторами.
5. Поверка и юстировка главного условия в нивелире Н-ЗКЛ.
6. Сущность метода исследований диапазона работы компенсатора.
7. Основные неисправности нивелиров с компенсаторами и их устранение.