Нивелиры – определение, назначение, виды

Нивелирами называют измерительные устройства, которые определяют разницу в уровнях нахождения точек в пространстве, относительно условно заданной поверхности. Нивелиры активно используют при проведении исследований рельефа геодезисты и топографы, а также рабочие строительных специальностей для строго соблюдения параметров во время возведения и ремонта объектов.
Нивелиры подразделяют на группы по двум признакам: точности измерения и принципамработы.

Классификация нивелиров по степени точности:

По степени точности снятия параметров выделяют три группы нивелиров:

· Высокоточные – допустимая квадратичная ошибка в измерениях от 0,2 до 0,5 мм.на 1 км. двойного хода.

· Точные – допустимая квадратичная ошибка в измерениях от 0,5 до 2,0 мм.на 1 км. двойного хода.

· Технические – допустимая квадратичная ошибка в измерениях от 2,0 до 10,0 мм. на 1 км. двойного хода.

Для элементарной разметки местности, определения перепадов рельефа и привязки его к определенным точкам, подойдут простейшие нивелиры с невысокими точностными характеристиками. А вот при определении параметров для всех этапов строительных работ, нужны максимально точные данные, выдаваемые профессиональными устройствами.

Классификация нивелиров по принципу работы:

По принципу работы нивелиры бывают:

· Геометрические – приборы, которые излучают визирующий луч и, приводя его в горизонтальное положение, позволяют измерять разницу в положении точек на местности. Точки отмечаются на территории специальными рейками. Геометрическое нивелирование может быть простым или сложным, т.е. проводиться из одной точки или из нескольких, последовательно меняющихся.

· Тригонометрические – устройства, также называются теодолитами, и предназначены для измерения превышений между отметками при помощи наклонного луча. Между нивелиром и контрольной точкой измеряется расстояние и угол наклона, а затем по формуле рассчитывается искомая величина. Метод достаточно сложный и не очень точный на больших расстояниях и пересеченных местностях.

· Гидростатические нивелиры – конструкции, состоящие из двух сообщающихся сосудов с жидкостью, по уровню которой определяют разницу высот в разных точках. Наполненные сосуды, соединенные между собой шлангом или рукавом, устанавливают в контрольных точках. По разнице между высотами столба воды в каждом из них, определяют величину превышения одной над другой. Метод высокоточен, но ограничен по расстоянию длиной рукава или шланга.

· Оптико-механические – нивелиры, позволяющие определять параметры точек при помощи луча света и, размеченных специальным образом, реек. Приборы оснащены оптической трубой для визуального наблюдения и приспособлением для выравнивания конструкции строго в горизонтальной плоскости. Для проведения измерений этим видом необходимы определенные знания и навыки.

· Лазерные – высокоточные устройства, проецирующие узконаправленный луч при помощи лазера на любую поверхность. Нивелиры лазерного типа просты в использовании и позволяют работать не только с точками, но и с целыми плоскостями.

· Цифровые – приборы лазерного или оптического типа, которые отображают полученную информацию в цифровом виде, запоминают её, а иногда и частично анализирует. Приборы точны и позволяют работать без напарника, но достаточно дороги и чувствительны к механическим повреждениям.

· Физические - особые виды нивелирования проводят также и при помощи барометров, эхолотов, радиолокаторов, стереоскопов и прочих специфических предметов. Однако в бытовых ситуациях эти способы измерения практически не применяются.

Так же нивелиры бывают ручными и автоматическими.

Промышленность выпускает нивелиры двух основных типов: с компенсатором углов наклона зрительной трубы и с уровнем приней.
Наличие в марке нивелиров буквы «К» означает, что труба нивелира снабжена компенсатором, буква «П» – прямое изображение, «Л» обозначает наличие лимба. По точности нивелиры подразделяются на высокоточные – типа Н-0,5, точные – типа Н – 3 (Н - 3К, Н - 3КЛ) и технические – Н-10. Цифры в маркировке приборов означают величину квадратической погрешности нивелирования двойного хода длиной 1 км в миллиметрах.

Устройство нивелира

Рассмотрим устройство нивелира на примере марки Нивелира Н-3 – точный нивелир с цилиндрическим уровнем и элевационным винтом, предназначен для нивелирования III и IV классов точности и для инженерно-геодезических изысканий (рис.1).

Рис. 1 – Точный нивелир Н–3:

1 – головка штатива;
2 – пружинящая пластина;
3 – подъёмные винты;
4 – подставка;
5 – элевационный винт;
6 – круглый уровень;
7 – исправительные винты;
8 – окуляр;
9 – коробка цилиндрического уровня;
10 – торцевая часть;
11 – зрительная труба;
12 – кремальера;
13 – мушка визира;
14 – объектив;
15 – закрепительный винт;
16 – наводящий винт трубы.

Нивелир Н-3 состоит из двух основных частей: нижней неподвижной подставки нивелира 4 и верхней подвижной рабочей части прибора.
Верхняя рабочая часть нивелира состоит из вертикальной оси вращения прибора, подставки зрительной трубы, круглого уровня 6 и зрительной трубы 11.
Зрительная труба состоит из объектива 13 и окуляра 8. На верхней части трубы находится мушка визира 13 для грубой наводки зрительной трубы на предмет.
Труба с внутренней фокусировкой. Кремальера 12 служит для получения четкого изображения. Четкого изображения сетки нитей достигают вращением окулярной трубочки 8. Контактный цилиндрический уровень жестко прикреплен к корпусу зрительной трубы. Изображение концов пузырька уровня с помощью системы призм передается в поле зрения зрительной трубы (рис 2).

Рис. 2 – Поле зрения зрительной трубы

1 – изображение пузырька цилиндрического уровня; 2 – нивелирная рейка;
3 – средняя горизонтальная нить сетки; 4 – дальномерная нить сетки

Правильный отсчет будет в том случае, когда концы пузырька цилиндрического уровня будут совмещены, как показано на рисунке 2. Для подсветки уровня имеется зеркало, для юстировки уровня в торцевой части 10 (со стороны окуляра) – четыре исправительных винта уровня. Для закрепления вертикальной оси нивелира при грубом наведении на предмет (рейку) служит закрепительный винт 15, а для точного наведения – наводящий винт 16.

Элевационный винт 5 служит для вращения трубы в вертикальной плоскости. Круглый уровень 6 предназначен для приведения вертикальной оси в отвесное положение. Юстируют круглый уровень с помощью трёх исправительных винтов 7.

Поверки нивелиров

«Поверки - ϶ᴛᴏ деи̌ствия, которыми контролируют правильность взаимного расположения базовых осей прибора. В случае если при выполнении поверок обнаруживается несоответствие взаимного расположения частей прибора, ᴇᴦο юстируют исправительными винтами.» *2
1-я поверка. Ось круглого уровня и должна быть параллельна оси вращения JJ нивелира
Чтобы проверить параллельность осей, выполняют следующие деи̌ствия. Пузырек круглого уровня приводят подъемными винтами на середину. Верхнюю часть нивелира поворачивают на 180°. Нивелир считается исправным, в случае если пузырек остается в центре, неисправным, в случае если пузырек сместился. Для устранения этой неисправности пузырек уровня приводят на середину в два этапа˸ исправительными винтами уровня перемещают пузырек к центру на первую половину дуги отклонения, на вторую половину – подъемными винтами.
2-я поверка. Горизонтальная нить АА сетки должна быть перпендикулярна оси вращения JJ нивелира Поверку выполняют таким образом. Ось вращения нивелира приводят по круглому уровню в отвесное положение. На расстоянии 20...30 м от нивелира устанавливают рейку и берут отсчет, наводят левый конец средней горизонтальной нити на рейку и берут отсчет, перемещают наводящим винтом трубу в горизонтальной плоскости до пересечения правого конца средней горизонтальной нити и берут отсчет. В случае если нивелир исправен, то отсчет по рейке не изменяется или изменяется в пределах 1 мм, в случае если – более чем на 1 мм, то он неисправен. Чтобы устранить неисправность, ослабляют исправительные винты сетки и развертывают диафрагму с сеткой нитей. Поверку повторяют.
3-я поверка. Визирная ось VV зрительной трубы должна быть параллельна оси и цилиндрического уровня
Выполнение поверки состоит в следующихдеи̌ствиях. На местности выбирают две точки А и В с расстоянием между ними 60 – 80 м. Точки закрепляют колышками, нивелир устанавливают посередине между точками и берут отсчеты a1 и b1 по рейкам. После этого вычисляют превышение h1 = a1 – b1. Далее нивелир из середины перемещают к точке В таким образом, чтобы расстояние от него до рейки составляло 2 – 3 м. По рейкам берут отсчеты а2 и b2 и вычисляют превышение h2 = а2 – b2.

В случае если | h1 – h2 | ≤ 4 мм, то нивелир пригоден к эксплуатации. В случае если разность превышений больше 4 мм, вычисляют правильный отсчет по дальней рейке а2' = b2 + h2.
Микрометренным винтом наводят на данный отсчет горизонтальную нить сетки, при этом пузырек цилиндрического уровня отклоняется от середины. Ослабляют боковые исправительные винты уровня и приводят вертикальными винтами пузырек уровня на середину. Поверку повторяют до выполнения условия | h1 – h2 | ≤ 4 мм.

Для изображения рельефа на планах и картах, а также при проектировании, строительстве и эксплуатации инженерных сооружений необходимо знать высоты точек местности и сооружений.
Определение разности высот (превышений) точек местности называется нивелированием. После нивелирования по известным высотам закрепленных точек (реперов) и превышениям вычисляют высоты всех остальных точек.
Репер - закрепленная на местности или сооружении точка с известной отметкой.

Основные методы нивелирования:

1. Геометрическое. При геометрическом нивелировании превышение между точками местности определяют с помощью горизонтального визирного луча. Горизонтальный визирный луч реализует специальный геодезический прибор - нивелир. Кроме того, могут использоваться теодолит или кипрегель, если они имеют уровень при трубе для установки ее в горизонтальное положение.
2. Тригонометрическое. Превышения точек определяются с помощью наклонного визирного луча. При этом измеряются угол наклона луча и наклонное расстояние между точками (менее точное за счет влияния рефракции).
3. Барометрическое. Основано на физическом законе уменьшения атмосферного давления с высотой. Используется в горных условиях. Точность - не более 0.5 м.
4. Гидростатическое. Основано на законе равенства уровней жидкости в сообщающихся сосудах вне зависимости от высот точек, где установлены эти сосуды. Точность до 8 мкм - наивысшая. Кроме того - передача отметок через водные преграды. (Например, на о. Сахалин по нефтепроводу была передана отметка с материка и затем развита сеть в БС.)

Геометрическое нивелирование выполняется специальным геодезическим прибором – нивелиром

Способы геометрического нивелирования:

«Различают два способа геометрического нивелирования: "из середины" и "вперед"» *1. При нивелировании " из середины " нивелир устанавливается на примерно равных расстояниях от точек А и В (расстояния называются плечами - рис. 3а). В точках А и В устанавливаются специальные рейки с сантиметровыми делениями. Точка А называется задней, В - передней, если ход от А к В. Приведя визирный луч в горизонтальное положение берут отсчеты а и b, затем вычисляют превышение h = a - b (задний минус передний).

Рис. 3 Нивелирование «из середины» а; и «вперед» б.

При нивелировании "вперед" нивелир устанавливают так, чтобы окуляр был над задней точкой по отвесу, а рейку ставят в передней точке (рис. 3 б). Приводят визирный луч в горизонтальное положение и измеряют высоту прибора (i - расстояние по вертикали от центра окуляра до точки А) и берут отсчет b по рейке в точке В. Превышение h = i - b.
Нивелирование с одной станции (стоянки прибора) называется простым. Однако при необходимости определить превышения между точками, находящимися на значительном расстоянии друг от друга, производится последовательное нивелирование с нескольких станций. Такое нивелирование называется сложным и образует нивелирный ход (рис. 4).

Рис. 4 Схема нивелирного хода.

Точки нивелирного хода, на которых рейка вначале являлась передней, а потом - задней называются связующими. Например, рейка в точке А для станции J1 передняя, а для станции J2 - задняя, то есть является связующей. Расстояние между связующими точками не должно быть более 150 м.
Если известна высота точки А и превышение h точки А над следующей точкой, то получим высоту связующей точки:
Hсв1 = HА + h1
HВ = Hсвn + hn
или в общем виде Hi+1 = Hi + hi.
Высота последующей связующей точки равна высоте предыдущей точки плюс превышение между ними. Просуммировав все равенства, можно для высоты точки В получить выражение:
HВ = HА + Σ hi.
Нивелирные ходы для контроля обычно опираются на реперы. Если ход опирается на два разных репера, то он разомкнутый. В этом случае теоретически сумма превышений в ходе должна равняться разности отметок реперов. Если ход замыкается на один и тот же репер (конечная точка совпадает с начальной), то ход замкнутый. В этом случае теоретически сумма превышений в ходе должна быть равна нулю.
Характерные точки местности (точка С), для которых необходимо определять высоты, но расположенные между связующими точками (рис. 5) называются промежуточными.

Рис. 5 Определение отметки промежуточной точки.

Для определения высоты промежуточной точки С на ней устанавливается рейка и берется отсчет с по рабочей стороне рейки. Высота Hс определяется через горизонт прибора ГП или Hi - это расстояние по отвесной линии от визирного луча до уровенной поверхности. Из рисунка следует: Hi =HA+a=HB+b т.е. ГП равен высоте точки плюс отсчет по рейке в этой точке.
Зная ГП определяют высоту точки С: HC = Hi - c, т.е. высота промежуточной точки равна ГП минус отсчет по рейке в этой точке.

«Наибольшее распространение как среди профессионалов, так и среди новичков получили оптические, лазерные и цифровые нивелиры. Рассмотрим достоинства каждого по отдельности.» *3