Нивелир

Оптический нивелир

Нивели́р (фр. niveler — вы­рав­ни­вать) — гео­де­зи­че­ский прибор для оп­ре­де­ле­ния раз­но­сти вы­сот ме­ж­ду не­сколь­ки­ми точ­ка­ми зем­ной по­верх­но­сти. При­ме­ня­ет­ся при соз­да­нии ни­ве­лир­ной се­ти, для вы­сот­но­го обос­но­ва­ния то­по­гра­фических съё­мок, а так­же для за­да­ния го­ри­зон­таль­ных на­прав­ле­ний, оп­ре­де­ле­ния ук­ло­нов, построе­ния на­клон­ных плос­ко­стей и от­вес­ных ли­ний при строи­тель­но-мон­таж­ных и других ра­бо­тах. Раз­ли­ча­ют оп­ти­че­ские, циф­ро­вые (элек­трон­ные) и ла­зер­ные нивелиры.

История

Первый образец нивелира создан в Древнем Египте, где египтяне занимали лидирующие позиции в архитектуре. Для возведения сложных конструкций, таких как храмы и водохранилища, им требовались специальные инструменты. Первые упоминания о простом нивелире, основанном на принципе сообщающихся сосудов с жидкостью, можно найти в работах Герона Александрийского, датируемых II веком до нашей эры. Этот нивелир использовался до XVII века, когда произошли значительные усовершенствования. В 1609 году Галилей добавил к инструменту измерительную трубку, а через два года Иоганн Кеплер улучшил нивелир, введя сетку нитей. В 1674 году Монтенари заменил обычные нити на дальномерные. Оптические нивелиры появились в середине XIX века, когда в 1857 году создан прибор с перекладным уровнем. Окончательный вид нивелир получил в конце XIX века благодаря российскому учёному Дмитрию Гедеонову, который в 1890 году разработал высокоточный оптический нивелир, ставший прототипом современного оборудования. Российские учёные Георгий Стодолкевич и Николай Гусев усовершенствовал нивелир, у него появились автоматические компенсаторы.

Нивелир 1876 года

В XIX веке в России разработками занимались мастерские при Пулковской обсерватории и Генеральном штабе. Изготовление отечественных геодезических инструментов начато накануне Великой Отечественной войны. Разработка и выпуск отечественных нивелиров связаны с деятельностью институтов ГОИ им. С. И. Вавилова, МИИГАиК, ЦНИИГАиК, ВНИМИ. В XX веке наряду с оптическими нивелирами появляются новые группы данного устройства: электронные и лазерные. Методика работы с этими новыми геодезическими инструментами и принцип устройства отличаются, но имеют одну и ту же цель.

В XXI веке нивелиры выпускают и продают большинство стран мира. Значительное место на рынке занимает Китай, где работают представители почти всех крупнейших брендов, например SETL, которые занимаются производством измерительной техники. Также основная доля рынка занята нивелирами зарубежных производителей и торговых марок: Zeiss (Германия), geo-Fennel (Германия), Geosystems (Швейцария), Chicago Steel Corp. (Berger) (США), Trimble/Spectra precision (США); Topcon Corp., Sokkia, Nikon (Япония), и другие.

Устройство нивелира

Устройство нивелира

Классическое устройство нивелира можно показать на такой широко используемой марке приборов как Н-3:

1. Цилиндрический уровень;
2. Оптический визир;
3. Закрепительный винт зрительной трубы;
4. Наводящий винт зрительной трубы;
5. Стальная пластинка;
6. Подъёмные винты;
7. Трегер (подставка);
8. Круглый уровень;
9. Элевационный винт;
10. Опорная площадка;
11. Кремальера;
12. Окуляр зрительной трубы;
13. Зрительная труба.

Для работы нивелир Н-3 устанавливают на штативе и закрепляют становым винтом. Предварительная установка нивелира в рабочее положение производится по круглому уровню путём вращения подъёмных винтов. Точное приведение визирной оси трубы в горизонтальное положение производят с помощью элевационного винта и цилиндрического уровня. Для приближённого наведения на рейку служит оптический визир. Точное наведение трубы осуществляется через окуляр наводящим винтом при зажатом закрепительном винте. Чёткое изображение рейки в поле зрения трубы достигается вращением кремальеры.

Нивелиры по точности

Нивелир Leica DNA3

По точности нивелиры делятся на:

• Высокоточные — средняя квадратическая погрешность на 1 км двойного хода — 0,5 мм. При работе с этими нивелирами допускается длина плеч (расстояние от нивелира до рейки) до 50 метров.
• Точные — средняя квадратическая ошибка на 1 км двойного нивелирования 3 мм. Допускается длина плеч до 75-100 метров.
• Технические — ошибка 10 мм на 1 км двойного хода. Длина плеч допускается до 100—150 метров.

Нивелиры всех типов в зависимости от устройства, применяемого для приведения визирной оси в горизонтальное положение, выпускают двух видов: с уровнем при зрительной трубе или с компенсатором углов наклона. При наличии компенсатора к шифру нивелира добавляется буква К, например Н-3К. Выпускают нивелиры с лимбом для измерения горизонтальных углов. В этом случае к шифру нивелира добавляется буква Л, например Н-10КЛ.

У нивелиров с уровнем при зрительной трубе приведение визирной оси в горизонтальное положение по цилиндрическому уровню осуществляется с помощью элевационного винта. У нивелиров с компенсатором приближённая вертикальная установка оси вращения прибора производится по круглому уровню.

Виды нивелиров

Автоматический нивелир

Нивелиры по конструкции делятся на три вида:

• оптический нивелир;
• цифровой нивелир;
• лазерный нивелир.

Оптические и цифровые нивелиры предназначены для использования специально подготовленными исполнителями, представляющими суть процесса и имеющими определённые профессиональные навыки. Лазерные нивелиры созданы для того, чтобы ими мог пользоваться любой человек для решения различных задач. Уровень автоматизации и наглядность работы лазерных нивелиров, таковы, что их использование в большинстве случаев не требует специальной подготовки. Наибольшее распространение лазерные нивелиры приобрели в строительстве при монтажных и отделочных работах, заменив привычные уровни, бечёвки.

Приведение нивелира в рабочее положение

Приведение нивелира в рабочее положение:

1. Закрепить нивелир на штативе становым винтом.
2. Повернуть зрительную трубу и расположить круглый уровень между двумя любыми подъёмными винтами.
3. Вращая подъёмные винты в разные стороны, вывести пузырёк круглого уровня на воображаемую линию, соединяющую нуль-пункт уровня с третьим подъёмным винтом.
4. Вращая только третий подъёмный винт, вывести пузырёк в нуль-пункт. При необходимости все действия повторить.
5. Добиться чёткого изображения сетки нитей путём вращения окуляра зрительной трубы.

Геометрические условия нивелира, их поверка

Геометрические условия

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.

Геометрические условия нивелира:

1. ось круглого уровня должна быть параллельна оси вращения нивелира;
2. одна из нитей сетки должна быть параллельна, а другая перпендикулярна к оси вращения нивелира;
3. главное условие: ось цилиндрического уровня должна быть параллельна визирной оси зрительной трубы либо для нивелиров с компенсатором — визирная ось должна быть горизонтальна.

Поверка нивелиров

Схема, показывающая автоматический уровень, или «наклонный» уровень, который компенсирует небольшие отклонения в наклоне прибора с помощью поворотной призмы

Ось круглого уровня должна быть параллельна оси вращения нивелира

Поверку условия выполняют приведением пузырька круглого уровня в нуль-пункт при помощи подъёмных винтов. Зрительную трубу устанавливают параллельно любой паре подъёмных винтов. Сначала приводят пузырёк уровня двумя подъёмными винтами на линию, а затем третьим винтом в нуль-пункт.

Затем поворачивают верхнюю часть нивелира на 180°, при этом пузырёк не должен отклонять более одного деления (выходить за пределы большой концентрической окружности). Если отклонение не допустимое, выполняют юстировку исправительными винтами круглого уровня, расположенными в его нижней части, их поворачивают с помощью специальной юстировочной шпильки, возвращая пузырёк на половину отклонения, и затем поверку повторяют.

Одна из нитей сетки должна быть параллельна, а другая перпендикулярна к оси вращения нивелира

С помощью круглого уровня ось вращения нивелира устанавливают в отвесное положение. Наводят пересечение сетки нитей на неподвижную рейку, установленную на расстоянии 15-25 м, и замечают точку наведения (отсчёт). Если при вращении трубы по азимуту с помощью наводящего винта горизонтальная нить не уклоняется от точки наведения, то есть отсчёт по рейке остаётся неизменным, то условие выполнено. В случае невыполнения этой поверки отвинчивается и снимается окулярная часть зрительной трубы и поворачивается сетка на требуемый угол.

Главное условие

1-й способ. Главное условие нивелира можно проверить двойным нивелированием. Для этого на ровной местности на расстоянии примерно 50-75 м друг от друга забивают колышки, на которые уста­навливают нивелирные рейки. Нивелир вначале устанавливают вблизи (6-8 метров) одной рейки и берут отсчёты по ближней рейке B₁ и дальней D₁. Затем вблизи другой рейки берут отсчёты по ближней рейке B₂ и дальней D₂. Используя снятые отсчёты, вычисляют погрешность X, которая не должна превышать 5 мм на 100 м. При несоблюдении главного условия дальние отсчёты будут содержать одинаковую погрешность Х, ко­торую вычисляют по формуле:

$X=(D_{1}+D_{2})/2-(B_{1}+B_{2})/2$

2-ой способ. На колышки, закрепляющие линию АВ длиной 50-75 м, устанавливают нивелирные рейки, а точно посредине между рейками — нивелир. После приведения нивелира в рабочее положение берутся отсчёты «а₀» и «b₀» по рейкам. В превышениях будет исключено влияние х — несоблюдения главного условия нивелира. Затем нивелир устанавливают вблизи одной из реек, например вблизи рейки В, и опять берут отсчёты по рейкам «а₁» и «b₁» и вычисляют превышение.

Исправление несоблюдения главного условия (юстировка цилиндрического уровня) выполняется в следующем порядке:

• Нивелир Н-3. Элевационным винтом совмещают горизонтальную среднюю нить сетки с вычисленным правильным отсчётом D⁰₂, при этом пузырёк цилиндрического уровня сместится с нуль-пункта. Вертикальными исправительными винтами цилиндрического уровня, используя специальную шпильку, приводят пузырёк в нуль-пункт. После исправления поверку повторяют.
• Нивелир Н-ЗК. При помощи исправительных винтов сетки её перемещают так, чтобы отсчёт по рейке стал равным вычисленному правильному отсчёту. После исправления поверку повторяют.

Геометрическое нивелирование

Геометрическое нивелирование представляет собой простой метод, используемый в геодезии для измерения высот и определения превышений. Процесс заключается в вычислении разницы высот между двумя точками с помощью горизонтального визира, геодезического инструмента, чаще всего нивелира, и специально отмеченных нивелирных реек.

Применение

Военно-морская база Гуантанамо, Куба (28 апреля 2003 год). Главный оператор по оборудованию Крис Валашек использует нивелир для съёмки рельефа автобусной остановки через дорогу от лагеря «Дельта» на военно-морской базе Гуантанамо

Оптический нивелир применяется в:

• строительных работах;
• геодезии;
• ландшафтном дизайне;
• прокладке труб и дорог;
• археологических работах.

Лазерные нивелиры используются:

• при вертикальном проектировании точек на строительные конструкции;
• при передаче планового положения геодезических пунктов обоснования на верхние этажи;
• при разбивочных работах на строительных горизонтах;
• при геодезическом контроле плоскостности всевозможных поверхностей и других работах.

Цифровые нивелиры в основном применяются специалистами в области геодезии и инженерии, где необходимы высокая точность и возможность обработки информации. Устройства особенно актуальны на сложных участках местности, где традиционные ручные измерения могут занять значительное количество времени и быть подвержены ошибкам.