Введение к работе
Современные требования к точности геометрического нивелирования очень высоки и характеризуются величинами 0,01 - 0,02 мм. Такая точность необходима при развитии Государственной нивелирной сети России I класса, при изучении движений земной коры на геодинамических полигонах, при монтаже различных уникальных объектов (линейные и кольцевые ускорители заряженных частиц, турбогенераторы ТЭЦ и АЭС, радиотелескопы, направляющие пути большой протяженности для испытания образцов ракетно-космической техники и т.п.).
Для достижения указанной точности и одновременной частичной автоматизации работ разработано и используется на практике большое количество нивелиров с компенсаторами. Однако влияние окружающей среды зачастую резко снижает точность этих приборов. Среди прочих факторов одним из важных являются магнитные поля (МП), воздействующие на подвешенный чувствительный элемент (ЧЭ) нивелира, на инварігую полосу рейки и на воздушную среду, в которой проходит визирный луч.
Рассматривая визирный луч лишь с геометрической точки зрения (не касаясь его волновой природы), как прямую линию, можно выделить три геометрические модели его, формируемые под действием МП:
-
При воздействии МП на компенсатор нивелира геометрическая форма визирного луча не изменяется. Он остается прямолинейным, но на выходе из зрительной трубы отклоняется в вертикальной плоскости (от горизонтального положения), вызывая ошибки в отсчетах по рейке и нарушая принцип геометрического нивелирования.
-
Изменение структуры воздушной среды под действием МП (ориента-ционная поляризация молекул - диполей) нарушает геометрию визирного луча, преобразуя прямую линию в некоторую сложную кривую.
3. При воздействии МП только на рейку, визирный луч остается прямолинейным и горизонтальным, а прямолинейная инварная полоса рейки из-за притяжения к полюсам, принимает форму дуги некоторого радиуса, что нарушает номинальную цену деления рейки и вызывает дополнительные ошибки в результатах измерений.
В любом случае процесс геометрического нивелирования можно интерпретировать как процесс проецирования центра (точки) перекрестия сетки нитей с помощью проецирующей прямой (горизонтального луча) на шкалу, в качестве которой служит вертикально установленная рейка с 5-мм делениями. Под влиянием ЭМП вместо истинной проекции точки получают ошибочное ее положение. Изменение вектора ЭМП обуславливает возникновение множества проекций точки перекрестия сетки нитей. Это множество будет распределяться вокруг истинной окружности и с положительной, и с отрицательной степенью точек. Причем появление множества проекций точки объясняется изменением положения проецирующей линии по отношению к рейке (отклонение визирного луча от горизонтального положения), изменением формы проецирующей линии (искривление визирного луча) и искривлением инварной полосы рейки.
В настоящее время свыше 80 % выпускаемых компенсаторных нивелиров снабжены оптико-механическими компенсаторами с подвеской ЧЭ на тонких металлических нитях (или ленточках), на плоской эластичной пружине, шарикоподшипниках и др.
В зависимости от сочетания проводящих и не проводящих электрический ток элементов компенсатора различной будет чувствительность компенсатора и нивелира в целом к влиянию МП. Различной она будет и по характеру, и по величине к постоянным и переменным МП. Теоретическое обоснование влияния магнетизма на точность геометрического нивелирования практически отсутствует (имеется только одна публикация, да и то применительно лишь к конкретному нивелиру Ni 002). Экспериментальные исследования проводились в основном за рубежом. В Российской Федерации известны только единичные случаи таких исследований (Пандул И.С., Лесных Н.В., Мистерик Я. и др.).
Отсутствие теоретических основ механизма влияния МП на точность геометрического нивелирования, малочисленность исследований влияния магнетизма в условиях Российской Федерации, недостаточная эффективность существующих методов и средств ослабления влияния МП, недостаточно широкое использование методов геометрического и математического моделирования, как инструмента исследования влияния МП на точность геометрического нивелирования свидетельствуют об актуальности темы диссертации.
Основные цели исследований следующие:
-
Изучить и теоретически обосновать механизм влияния магнитных полей на точность геометрического нивелирования.
-
Выявить источники и характер ошибок за магнетизм при измерении превышений.
-
Разработать новые методы и средства лабораторных и полевых исследований нивелиров с компенсаторами на чувствительность к магнетизму.
-
Усовершенствовать методы геометрического и математического моделирования применительно к исследованиям влияния МП на точность геометрического нивелирования.
-
Создать новые геометрические схемы амагнитных компенсаторов.
-
Разработать новые средства и методы ослабления влияния магнетизма на точность геометрического нивелирования.
Для достижения поставленных целей использованы следующие методы:
-
Критический анализ результатов исследований по данной проблеме, полученных отечественными и зарубежными учеными.
-
Изучение физической сущности взаимодействия электромагнитных полей с компенсаторными нивелирами.используя основные положения физики и аппарат математических формул.1
-
Привлечение теоретических основ нивелиров с компенсаторами.
-
Патентный поиск, анализ публикаций на предмет ослабления влияния магнетизма.
-
Использование методов синтетической и начертательной, вычислительной и дифференциальной геометрии для изучения влияния МП на геометрическое нивелирование.
-
Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных результатов исследований.
Научная новизна результатов исследований состоит в некоторых новых теоретических положениях по проблеме влияния магнетизма на точность геометрического нивелирования и авторских технических разработках, выполненных на уровне изобретений.
Достоверность полученных результатов подтверждается:
-
Согласованностью теоретических выводов и практических результатов.
-
Выполнением технических решений на уровне изобретений.
3. Апробацией основных результатов исследований на научно-
технических семинарах и конференциях.
Практическая ценность работы. Предлагается методика расчета величины поправок, параметров магнитных экранов для нивелиров с компенсаторами. Разработаны и испытаны на практике новые методы и установки для полевых и лабораторных исследований влияния магнитных полей на точность геометрического нивелирования. Предложены новые технические решения для ослабления влияния магнетизма на нивелиры с компенсаторами.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на Научно-технических конференциях (г. Н. Новгород - 1995 - 1999 гг., г. Владимир - 1997 г.). В рамках договора о научно-техническом сотрудничестве при выполнении темы "Разработка установки и методики для исследования влияния
7 МП на геодезические приборы с компенсаторами» в лаборатории приборостроения ЦНИИГАиК оборудована магнитная установка. Три установки изготовлены и используются в ННГАСУ и метрологической лаборатории ВАГП.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 2 авторских свидетельства на изобретения.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 184 страницы, в том числе 30 таблиц и 53 рисунка. Список литературы включает 59 наименований, из них 28 - на иностранных языках.
На защиту выносятся следующие результаты:
-
Теоретическое обоснование механизма влияния магнитных полей на точность геометрического нивелирования.
-
Методика расчета характерных ошибок за магнетизм.
-
Новые методы и средства исследований нивелиров с компенсаторами на чувствительность к магнитным полям.
-
Новые методы и средства ослабления влияния магнитных полей на точность геометрического нивелирования.
-
Результаты экспериментальных исследований влияния МП на точность геометрического нивелирования.