Niwelator

Niwelator – instrument geodezyjny, mocowany na trójnożnym statywie, umożliwiający pomiar różnicy wysokości (niwelacji) pomiędzy punktami terenowymi.

Schemat osiowy niwelatora z lunetą stałą i ze śrubą elewacyjną.
1 – spodarka
2 – alidada
3 – luneta geodezyjna
4 – libella niwelacyjna
5 – libella okrągła
6 – pozioma oś obrotu zespołu luneta-libella niwelacyjna
7 – śruba elewacyjna
cc – oś celowa lunety
vv – pionowa oś główna instrumentu (oś obrotu alidady)
ll – oś libelli niwelacyjnej
pg – płaszczyzna główna libelli okrągłej

Pod względem konstrukcji niwelatory nożna podzielić na;

a) niwelatory libelowe,

b) niwelatory samopoziomujące (automatyczne)

c) laserowe 

d) kodowe (cyfrowe)

Ad a. W niwelatorze libelowym poziome położenie osi celowej jest realizowane za pomocą libeli niwelacyjnej umieszczonej na lunecie. Środkowe położenia pęcherzyka łibeli niwelacyjnej uzyskuje się dzięki śrubie elewacyjnej. zmieniającej położenie osi celowej w płaszczyźnie pionowej w zakresie małego kata pionowego. Niwelator libelowy bez śruby elewacyjnej jest nazywany niwelatorem głuchy.

Ad b. W niwelatorze samopoziomującym, zwanym także automatycznym, oś celowa ustawia ale w poziomie automatycznie w pewnych granicach pochylenia lunety. Poziomowanie, to jest realizowana automatycznie z wysoką precyzję za pomocą urządzenia zwanego kompensatorem lub stabilizatorem.

Przed przystąpieniem do rektyfikacji warunków geometrycznych niwelatora należy usunąć ewentualne uszkodzenia mechaniczne i w razie potrzeby przeprowadzić konserwację elementów optycznych.

Ad c. Realizujące oś poziomą poprzez wysyłanie widzialnej wiązki laserowej, w wersji rotacyjnej – wirujący promień lasera realizuje w przestrzeni powierzchnię poziomą.

Ad d) Umożliwiające automatyczne wykonanie odczytu ze specjalnych łat z kodem kreskowym.

W ramach kontroli części mechanicznych należy sprawdzić statyw, spodarkę i elementy mechaniczne niwelatora. Po wyjęciu niwelatora ze skrzynki należy ustawić go na stabilnym podłożu i dokonać szczegółowego przeglądu wszystkich części mechanizmów zaciskowych, śruby ruchu leniwego, śruby elewacyjnej, zamocowania libel itp. Wszystkie śruby i pokrętła - na przykład okularu lunety i mikroskopu odczytowego kręgu poziomego - powinny obracać się ruchem płynnym na całej swej długości. Obracając lunetę kilkakrotnie wokół osi głównej instrumentu stwierdzamy czy układ osiowy działa prawidłowo, ta znaczy czy oś obrotu nie jest zatarta.

Stwierdzane przez geodetę uszkodzenia lub usterki mechaniczne niwelatora powinny być usunięte w odpowiednim zakładzie mechanicznym. Zmiana lub uzupełnienia smarów jest wykonywana przez mechanika precyzyjnego

Geodeta może tylko wyregulować śruby ruchu leniwego w przypadku, gdy mechanizm śrubowy nie jest uszkodzony, a samo .jego rozwiązanie przewiduje regulację śruby bez jej demontażu.

W dalszej kolejności należy sprawdzić śruby poziomujące niwelatora, czy obracają się ruchem płynnym na całej swej długości. Jeżeli spodarka jest wyposażona w płytkę sprężynowa, należy także sprawdzić jej stan.

Jeżeli niwelator jest wyposażony w krąg poziomy, należy sprawdzić błąd paralaksy runu.

Kolejnym etapem jest sprawdzenie warunków geometrycznych niwelatora.

Sprawdzenie i rektyfikacja niwelatorów libelowych

Niwelator libelowy, którego schemat pokazano na rysunku powinien-spełniać następujące warunki geometryczne:

1) płaszczyzna P, styczna do libeli sferycznej w jej punkcie głównym, powinna być pozioma,

2) oś pionowa VV musi być prostopadła do płaszczyzny P,

3) kreska pionowa siatki celowniczej powinna leżeć w płaszczyźnie kolimacyjnej niwelatora,

4) oś libeli niwelacyjnej LL powinna być równoległa do osi celowej,

Sprawdzenie i rektyfikację niwelatora wykonujemy w kolejności warunków podanych powyżej

Ad.1. Libele sferyczne sprawdzamy i rektyfikujemy według znanych metod

Ad 2. Po starannym spoziomowaniu niwelatora w oparciu o zrektyfikowaną libelę sferyczna oś główna niwelatora VV będzie zajmować pionowe położenie. Przy pionowy położeniu osi głównej VV niwelatora można przystąpić do sprawdzania dalszych warunków.

Ad 3. Niwelator ustawiamy na statywie i starannie poziomujemy w oparciu o zrektyfikowane libele. Na wysokości osi celowej wybieramy dobrze widoczny punkt. Celujemy poziomą nitką krzyża kresek na obrany punkt, ustawiając go w lewym skrajnym położeniu w polu widzenia. Zaciskamy śruby zaciskowe alidady. Śrubą ruchu leniwego alidady przesuwamy cel wzdłuż poziomej nitki krzyża kresek. Jeżeli punkt nie zejdzie z poziomej nitki krzyża kresek warunek jest spełniony. W przeciwnym przypadku należy krzyż zrektyfikować.

Rektyfikacja

Odkręcamy osłonę przy okularze lunety. Po zdjęciu osłony będą widoczne śruby rektyfikacyjne płytki ogniskowej, jak na rysunku.

Należy lekko zwolnić śruby (1) sprzęgające obudowę płytki ogniskowej z tubusem lunety. Obracamy płytkę ogniskową o połowę kąta wychylenia poziomej nitki krzyża od punktu celu. Następnie czynności sprawdzające wykonujemy ponownie i ewentualne wychylenie poziomej nitki krzyża korygujemy o połowę wychylenia. Czynności te wykonujemy do momentu uzyskania zadowalających efektów. Następnie należy stopniowo (np. po pół obrotu) dokręcać kolejno wszystkie cztery śruby do oporu. Realizację warunku sprawdzamy po niezależnym wycelowaniu na dobrze widoczny punkt.

Wzajemna prostopadłość kresek siatki celowniczej jest we współczesnych instrumentach zapewniona fabrycznie,

Ad 4. Metoda polowa sprawdzania warunku c LL.

Jest najważniejszym warunkiem niwelatora li belowego, ponieważ w przypadku nierównoległości osi LL, c niwelator nie realizuje płaszczyzny poziomej. Nierównoległośc wspomnianych osi może polegac na ich przecinaniu się, gdyż leża one w jednej płaszczyźnie lub na ich wichrowatości.

Sprawdzany niwelator ustawiamy w terenie i starannie poziomujemy.

W odległości około 50 metrów ustawiany dwie łaty w punktach A i B (rys). Ze stanowiska S₁ wyznaczamy różnicę wysokości (a₁ - b₁) nie obarczoną ewentualnym wpływem błędu nierównoległości osi c i l. Następnie ustawiamy niwelator w punkcie S₂ celując do łaty ustawionej nad punktem B, wykonujemy odczyt b₂. Znając różnicę (a₁ – b₁) wyliczamy odczyt a₂, nie obarczony błędem nierównoległości osi c i l.

Rektyfikacja: Śrubą elewacyjną naprowadzamy poziomą nitkę krzyża kresek na odczyt a₂., doprowadzając w ten sposób oś celową do poziomu. Libela niwelacyjna wyjdzie z górowania. Śrubkami rektyfikacyjnymi libeli niwelacyjnej doprowadzamy ją do górowania. Uzyskujemy w ten sposób równoległość osi c i l.

Po wykonaniu rektyfikacji instrument należy poddać ponownemu sprawdzeniu warunku równoległości osi c i l. Ewentualne odchylenia należy skorygować.

Sprawdzenie i rektyfikacja niwelatorów samopoziomujących

Przed sprawdzeniem warunków geometrycznych niwelatora samopoziomującego należy usunąć ewentualne uszkodzenie mechaniczne oraz dokonać przeglądu optyki.

W zakresie warunków geometrycznych ograniczymy się do dwóch podstawowych warunków, które powinien spełniać niwelator samopoziomujący

1) płaszczyzna głównej libeli sferycznej P musi być prostopadła do osi pionowej instrumentu VV,

2) oś celowa niwelatora, ustawiona w poziomie za pomoce kompensatora, powinna być rzeczywiście pozioma w zakresie działania kompensatora,

Ad l. Podczas obrotu niwelatora wokół osi VV pęcherzyk libeli sferycznej musi zachować symetryczne położenie w stosunku do podziału naniesionego na czaszy libeli. w przeciwnym razie libelę należy zrektyfikować za pomocą trzech śrub rektyfikacyjnych według powszechnie znanej metody,

Ad 2, Sprawdzenie warunku osi celowej wykonujemy jak sprawdzenie warunku 4 niwelatora libelowego.

Rektyfikacja: poziomą nitkę krzyża kresek przesuwamy na obliczony odczyt a₂, za pomocą śrub rektyfikacyjnych krzyża kresek. Naprawę tego warunku wykonujemy poprzez przesuwanie krzyża nitek prawie we wszystkich powszechnie używanych niwelatorach samopoziomujących, z wyjątkiem niwelatorów firmy Filotecnica oraz GK 1-A i GK 1-AC firny Kern, a także niwelatora NA2 firmy Wild,

• obracając płytkę wejściowe w niwelatorach firmy Filotecnica,

• przesuwając jeden z elementów optycznych kompensatora - w GK 1-A i GK 1-AC.

• zmieniając współczynnik kompensacji, na przykład w niwelatorze NA 2.

Zrektyfikowany niwelator należy skontrolować, czy przy spoziomowanej libeli sferycznej kompensator działa prawidłowo.

Przed przystąpieniem do realizacji warunku drugiego należy sprawdzić prawidłowe działanie wahadła, to znaczy czy nie jest ono uszkodzone lub nie opiera się o jeden z amortyzatorów. Niwelator ustawiamy na trwałym podłożu. Po starannym spoziomowaniu niwelatora ze pomocą zrektyfikowanej libeli sferycznej kompensator powinien zajęć pozycję swobodnego zawieszenia. Sprawdzamy to stukając lekko w obudowę niwelatora. Wówczas obraz siatki celowniczej niwelatora, oglądany przez okular, powinien drgać.

Sprawdzenie i rektyfikacja niwelatora precyzyjnego

Niwelator precyzyjny charakteryzuje;

• wyższa dokładność libel, zwłaszcza libeli niwelacyjnej,

• dokładniejszy skok gwintu śrub poziomujących,

• lepsza optyka lunety,

• cieńsze kreski siatki celowniczej, których kształt umożliwia symetryczne ich ustawianie względem znaczka na łacie,

• dokładniejszy sposób odczytywania podziału łaty.

Podziały łat stosowanych w niwelacji precyzyjnej są także dostosowane do przedstawionych wyżej wymogów. Na białym tle specjalnej taśmy inwarowej nie podlegającej wpływom temperatury i wilgotności, umieszczonej-w drewnianej oprawie łaty, naniesiony jest podwójny podział kreskowy o grubości kresek 1 mm. Na łatach firm Carl-Zeiss-Jena i Kern podział jest półcentymetrowy, a na łatach firmy Wild naniesiony jest podział centymetrowy. Dwa niezależne podziały na każdej łacie przesunięte są względem siebie o 2.5 mm, w podziale półcentymetrowym lub o 5 mm w podziale centymetrowym. Numeracja podziału naniesiona jest na drewnianej części łaty i składa się z dwóch niezależnych opisów różnych o pewną stałą wartość. Na łatach firmy Zeiss-Jena różnica pomiędzy odczytem wynosi 606500 zaś podziały łat firmy Wild różnię się o 301550.

Przesunięcie podziałów na taśmie inwarowej oraz stała różnica opisów łaty stwarzają możliwość dokonania dwóch niezależnych odczytów przy jednym wycelowaniu. Zmienia się tylko położenie siatki celowniczej, co uzyskuje się ruchem pokrętła mikrometru.

W zależności od sposobu realizacji poziomego położenia osi celowej niwelatory precyzyjne mogę być libelowe lub samopoziomujące. Niezależnie- jednak od powyższego rozwiązania zasada odczytywania podziału łaty jest analogiczna.

Przed obiektywem lunety niwelatora precyzyjnego umieszczona .jest płytka płaskorównoległa P, połączona z mikrometrem M (rys). Obrót mikrometru powoduje zmianę położenia płytki, co w efekcie daje pozorne przesunięcie osi celowe; w płaszczyźnie pionowej. Liniowa wielkość tego przesunięcia (np. x) jest odczytywana na mikrometrze,-

Przykłady odczytu, -

1. Łata firmy Zeiss Jena z podziałem półcentymetrowym:

odczyt z łaty- 19.7 m/20

odczyt z mikrometru 0.034 m/20

O = 19.734 m/20 w podziale łaty
po podzieleniu przez 20, O = • 0.9867 w podziale metr.

2. Łata firmy Wild z podziałem centymetrowym

odczyt z łaty 1.48

odczyt z mikrometru 653

O = 1.48653 m

Precyzyjny niwelator libelowy

Sprawdzenie i ewentualna rektyfikacja libelowego niwelatora precyzyjnego obejmuje następujące czynności;

1. Sprawdzenie libel aliadowych zapewniajęcych pionowe położenie osi głównej (obrotu) niwelatora.

2. Sprawdzenie i realizacja warunku równoległości osi celowej c do osi libeli niwelacyjnej l.

3. Sprawdzenie i ewentualne usuniecie wichrowatosci osi celowej c i osi libeli niwelacyjnej l.

4. Badanie stałości osi celowej niwelatora,

Ad. l. Libele alidadowe sprawdzamy i rektyfikujemy według znanych zasad

Ad, 2. Warunek równoległości osi celowej c do osi libeli niwelacyjnej można sprawdzić i realizować metodą polową

Firma Carl-Zeisa Jena zaleca wprowadzić do korygowanego odczytu poprawkę k ze względu na krzywiznę Ziemi i zjawisko refrakcji. Dla szerokości geograficznej 50° i k = 0,13 łączna poprawka k wyraża się wzorem

gdzie; k - łączna poprawka ze względu na krzywiznę Ziemi i zjawisko refrakcji,

Realizacja warunku c||l odbywa ale następująco: na mikrometrze nastawiamy końcowe część odczytu a₂. czyli 63. Podczas tej czynności kreska celownicza przesunie się względem znaczka na łacie. Położenie symetryczne znaczka opisanego (w naszyć przykładzie) 38,1 i kreski celowniczej uzyskamy powtórnie ruchem śruby elewacyjnej niwelatora. Po tej czynności oś celowa zajmie położenie poziome, natomiast pęcherzyk libeli niwelacyjnej wychyli się, Doprowadzany go do położenia środkowego pionowymi wkrętami rektyfikacyjnymi (1) libeli niwelacyjnej.

Firma Wild pomija przy realizacji tego warunku poprawkę k, natomiast proponuje ustawiać rektyfikowany niwelator nad punktem S, w odległości 1/10 AB i koryguje z tego tytułu odczyt a₂ o 1/10 wyznaczonego błędu.

Ad. 3. Często zdarzę się, że mino realizacji warunku równoległości osi c i l nie są one w przestrzeni równoległe lecz skrzyżowane pod pewnym kątem. Błąd ten nazywa się wichrowatością osi celowej i osi libeli niwelacyjnej. Zjawisko wichrowatości przedstawiono na rysunku.

Widzimy, ze w takim przypadku rzuty osi c i l na płaszczyznę pionowe (YZ) są równoległe, czyli c||l. Natomiast rzuty tych osi na płaszczyznę poziome (xy) nie są wzajemnie równoległe, czyli c nierównoległe do l.

Ślady osi celowej i osi libeli niwelacyjnej na płaszczyźnie poziomej przecinają się i tworzę kąt ω.

Aby wykryć wichrowatość osi celowej l osi. libeli, należy niwelator ustawić w stosunku do dowolnego punktu, na przykład łaty niwelacyjnej tak, jak na rysunku

Dwie śruby poziomujące, np. (2), (3) wyznaczają prostą równoległa do osi celowej. Po spoziomowaniu instrumentu pęcherzyk libeli niwelacyjnej zajmie położenie środkowe. Następnie. pokręcając śruba poziomująca (l), przechylany niwelator względem prostej wyznaczonej przez śruby (2-3) i wtedy oś główna wychyli się w płaszczyźnie pionowej o pewien kąt. W przypadku występowania błędu wichrowatości osi, c i l pęcherzyk wyjdzie z położenia środkowego. Śrubą poziomującą (l) wykonujemy obroty w przeciwnym kierunku i wtedy zaobserwujemy ruch pęcherzyka libeli także w przeciwnym kierunku, W wyniku tych czynności zostało stwierdzone zjawisko wichrowatości. Wychylania niwelatora można także zaobserwować po uprzednia wycelowaniu środkiem siatki kresek niwelatora do podziałki na łacie.

Błąd ten usuwany w ten sposób, że przy wychylonej osi głównej niwelatora sprowadzamy pęcherzyk libeli niwelacyjnej do położenia środkowego poziomymi wkrętami rektyfikacyjnymi (2) libeli niwelacyjnej. Czynność powyższą dla kontroli powtarzamy. Po usunięciu błędu wichrowatości należy jeszcze raz sprawdzić warunek c||l podana w punkcie 2, ponieważ podczas usuwania wichrowatości zwolniono lekko wkręty pionowe

Ad. 4. Z definicji osi celowej wynika, że jest to prosta wyznaczona przez środek optyczny obiektywu i środek- siatki krasek płytki ogniskowej. Wiadomo jednak, że prosta ta przechodzi także przez środek optyczny soczewki ogniskującej , która jest elementem ruchomym w układzie optycznym lunety niwelatora. Zmienne położenie soczewki ogniskującej może spowodować niestałość osi celowej, wpływając bezpośrednio na odczyt. Zjawisko to może mieć uchwytny wpływ na wyniki pomiaru, w związku z czym niwelator precyzyjny należy przebadać dla przekonania się, czy odpowiada on swoim założonym wymaganiom.

Badanie stałości osi celowej niwelatora precyzyjnego przeprowadzimy w następujący sposób: -w teranie płaskim z punktu S wytyczamy łuk o promieniu np. 20 m, na którym zaznaczamy punkty

0, l, 2, ......n odległe od punktu A o 5 m,. 10m, 15 m, 20 m itd, (rys). Nad punktem S ustawiamy niwelator i. celując kolejno do łaty ustawionej nad punktami 0, l, 2,.... n, wyznaczamy różnice wysokości pomiędzy tymi punktami. Przejście od 0 do n i z powrotna traktujemy jako jedna serie, a ilość serii można dowolnie powtarzać. Przy ustawieniu niwelatora nad punktem S odczyty z łat będą wykonane przy stałym położeniu soczewki ogniskującej, ponieważ odległości S-0, S-l. ..., S-n są sobie równe.

Obliczone różnice wysokości pomiędzy punktami 0-1, 0-2,..., 0-n oznaczymy przez Δh₁, Δh₂, Δh_n i uważamy je za wielkości nie obarczone wpływem ewentualnego błędu niestałości osi celowej. Następnie ustawiamy niwelator nad punktem A i celujemy do łaty ustawionej w punktach 0, 1, 2, .... n. Każde wycelowanie do łaty wymaga zmiany ogniskowania lunety, Otrzymane odczyty oznaczymy przez a_o, a₁, a₂, a_n. Przyjmując wysokość punktu 0 równą zeru, obliczamy poziom osi celowej w każdy punkcie

H_o = a_o

H₁ = Δh₁ +a₁

H₂ = Δh₂ +a₂

.........................

H_n = Δh_n +a_n

Z uzyskanych wyników wyliczany wartość H_śr. Różnice

δ_I = H_śr – H_i

wyrażając wpływ zmiany położenia osi celowej w zależności od długości celowej. Oznaczając odległości łat od instrumentu przez d_o , d₁, d₂. .... d_n , można badane zależność przedstawić w postaci równań poprawek

δ_o = bd_i + c

Równania poprawek ułożone dla danych odległości przybiorą postać

δ_o = ba_o + c

δ₁ = ba₁ + c

δ₂ = ba₂ + c

...............................

δ_n = ba_n + c

Umownie można przyjąć, że w powyższych równaniach wyrazy bd_o . bd₁ .bd₂„ ,... bd_n będą wyrażały poprawki ze względu na szczątkowy błąd nierównoległości osi libeli do osi celowej, wynikający z błędu rektyfikacji, zaś wartość c będzie pewna wartością stałą..

Z równań poprawek przechodzimy do równań normalnych i obliczamy wielkości b i c. Ostateczny wpływ niestałości osi celowej, spowodowany zmianą położenia soczewki, ogniskującej, czyli Δ_i. wyliczymy z równań

Δ_o = δ_o – (bd_o + c)

Δ₁ = δ₁ – (bd₁ + c)

Δ₂ = δ₂ – (bd₂ + c)

...................................

Δ_n = δ_n – (bd_n + c)

Wyniki badania można przedstawić graficznie w postaci wykresu, nanosząc na oś odciętych d_i, a na oś rzędnych obliczone wielkości Δ_i. W przypadku, gdy Δ_i ≤ ±2 mm wpływ niestałości osi celowej, spowodowany zmianą położenia soczewki ogniskującej, można potraktować jako wielkość nie obarczającą wyników pomiaru w sposób istotny.