Загрузить

ОТ ВОДЯНОГО УРОВНЯ ДО ВЫСОКОТОЧНОГО ИНКЛИНОМЕТРА

А.И. Ященко

СОДЕРЖАНИЕ: рассмотрен один из параметров постоянных наблюдений за пространственным положением зданий, инженерных сооружений и конструкций, осуществляемых с помощью автоматизированных систем деформационного мониторинга(АСДМ) : угол наклона исследуемого объекта от вертикальной (горизонтальной) плоскости.Дана историческая справка, краткое теоретическое обоснование, описаны современные технические средства, рассмотрены принципы работы инклинометров серии Leica NIVEL 200 .

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: измерение угла наклона объекта от вертикальной (горизонтальной) плоскости;наблюдения за наклоном строительных конструкций; цифровые инклинометры Leica 20; инклинометры; инклинометры Leica серии NIVEL 200; геодезически е средства измерений; компенсация наклона тахеометра; постоянные наблюдения за пространственным положением зданий, инженерных сооружений и конструкций.

Для просмотра изображений крупным планом, кликните по ним мышью.

Сооружения древних египтян и сегодня поражают своей величественностью, монументальностью, стройностью форм и размеров. Основным средством геодезического обеспечения строительства в то далекое время была вода. Простота и гениальность ее применения при выравнивании основания фундамента будущего сооружения заключалась в следующей операции. Котлован заполнялся водой, а затем проводились измерения расстояния от дна котлована до поверхности воды, т. е. сравнивалось положение поверхности котлована с горизонтальной поверхностью воды. Это позволяло выравнивать основание на значительной территории с точностью в несколько сантиметров. Для измерений выбирались безветренные периоды времени. Остается только завидовать терпению и настойчивости древних «геодезистов;». Хотя, что значат несколько дней по сравнению с вечностью… Чтобы не зависеть от погодных условий и использовать меньшее количество жидкости, ее залили в стеклянную ампулу и герметично закрыли (запаяли).

Так была создана пузырьковая камера, которая до настоящего времени является идеальным средством задания горизонтальной поверхности не только в строительных уровнях, но и практически во всех современных геодезических средствах измерения (нивелирах, теодолитах, электронных тахеометрах, наземных лазерных сканерах и т. д.). Постоянное увеличение точности геодезических измерений с одновременным снижением их трудоемкости потребовало поиска новых технических решений, которые могли бы заменить традиционные маятниковые компенсаторы, обеспечивавшие коррекцию наклона прибора, в небольшом, но определенном диапазоне (несколько сотен угловых секунд).

Проведенные компанией Leica Geosystems (Швейцария) научные исследования позволили разработать и создать для массового производства принципиально новый компенсатор, основанный на применении жидкостного уровня (рис. 1). Использование в тахеометре цифровой внутренней шины дало возможность подключить к ней кроме многих других устройств надежный высокоточный узел для компенсации наклона тахеометра.

Постоянные наблюдения за состоянием сложных инженерных сооружений потребовали внедрения в практику использование автоматизированных систем деформационного мониторинга(АСДМ, позволяющих дистанционно измерять различные физические величины, в том числе определяемые геодезическими методами. Одним из таких измеряемых параметров является угол наклона исследуемого объекта от вертикальной (горизонтальной) плоскости.

Развитие микроэлектроники, дистанционных средств передачи и обработки результатов измерений, получаемых в цифровом виде, позволили в 1995 г. создать и выпустить пробную серию высокоточных цифровых инклинометров Leica 20. Измеренные с их помощью величины углов наклона передавались по цифровой шине RS232 в компьютер, где накапливались, обрабатывались и визуализировались на экране. Инклинометры были опробованы при наблюдениях за наклоном различных строительных конструкций: стен зданий, колонн, фундаментов и т. п.

Дальнейшие исследования позволили значительно улучшить конструкцию и в 2005 г. начать серийный выпуск инклинометров Leica серии NIVEL 200. Официальное название этого средства измерения в Государственном реестре средств измерений Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии РФ зарегистрировано так: «Устройство двухкоординатное для измерения угловых перемещений, предназначенное для измерения величины угловых перемещений и определения их направлений по двум взаимно перпендикулярным осям ».

Область применения инклинометров Leica NIVEL 200 — постоянные наблюдения за пространственным положением зданий, инженерных сооружений и конструкций, таких как мосты, плотины, высотные дома и др., с целью определения деформаций их элементов.

Рассмотрим принцип работы инклинометра Leica NIVEL 200 более подробно (рис. 2).

компенсатор  в тахеометре принцип работы инклинометра
Рис.1.Расположение компенсатора угла наклона в электронном тахеометре фирмы Leica Geosystems Рис.2.Принцип работы инклинометра Leica NIVEL 200

Датчиком угла наклона данного устройства является капсула с жидкостью — жидкостный уровень (f). Поскольку поверхность жидкости в ампуле остается в горизонтальном положении независимо от наклона уровня, то величина угла наклона устройства однозначно определяется по углу между поверхностью жидкости и основанием уровня. Измерение угла наклона происходит следующим образом. Световой поток, излучаемый полупроводниковым диодным лазером (g), проходя через отклоняющую призму (c), фокусирующую систему линз (d) и проецирующую призму (e), попадает в капсулу с жидкостью. Отражаясь от поверхности капсулы с жидкостью, световой поток через фокусирующую оптическую систему попадает на ПЗС-матрицу, с помощью которой угловые перемещения регистрируются и преобразуются в цифровой выходной сигнал. Полученная информация может поступать на устройство регистрации или персональный компьютер через специальный разъем, обрабатываться, отображаться на экране компьютера в графическом виде и записываться в файл. Кроме того, инклинометр измеряет температуру окружающей среды в виде цифрового кода в месте его установки.

Модельный ряд инклинометров Leica серии NIVEL 200 представлен моделями NIVEL 210, NIVEL 220 и NIVEL 230 (табл. 1). Модель NIVEL 210 обменивается с внешними устройствами через порт, работающий по протоколу RS232, NIVEL 220 - RS485 и допускает включение в измерительную «цепочку» до 32 устройств. Модель NIVEL 230 используется в промышленных измерительных системах и характеризуется более высокой точностью измерений.

Табл.1.   Основные характеристики инклинометров Leica серии NIVEL 200
Параметры Nivel 210/220 Nivel 230
Миллирадиан Угл. секунды Миллирадиан Угл. секунды
Диапазон измерения угловых перемещений
A
B
C
±1.51
±2.51
±3.00
±300
±500
±600
±1.1 ±226
Предельно допустимая абсолютная погрешность единичного измерения угловых перемещений по диапазонам
A
B
C
±0.0047
±0.0141
±0.047
±1
±3
±10
0,001 0,206
Электропитание от блока питания постоянного тока 12±25%
Потребляемая мощность, Вт 0.6
Рабочий диапазон температур, °С от –20 до +50
Габаритные размеры (Д х Ш х В), мм 95х91х68
Масса, кг 0.74

Инклинометр Leica серии NIVEL 200 представляют собой моноблочный датчик, подключаемый через разъем к источнику постоянного тока в 12 В. Через аналогичный разъем измеренные параметры поступают на регистрирующее устройство. На корпусе размешен 8-ми секундный круглый уровень, необходимый для предварительной установки инклинометра в горизонтальное положение. Внутри корпуса расположены: модуль электронно-оптической системы, плата микропроцессора и плата каналов связи c разъемами. Внутреннее программное обеспечение микропроцессора осуществляет управление режимами работы инклинометра, среди которых присвоение собственного имени, выбор скорости приема-передачи данных, задание первоначального смещения. В инклинометре предусмотрен режим усреднения многократных измерений от 2 до 128. В этом случае средняя квадратическая погрешность (СКП) усредненного значения уклона (σxср) будет меньше СКП единичного измерения (σX) на корень квадратный из количества (n) усредненных измерений. Так, например, при n = 128 и σX =0,033 mrad будем иметь σXср =σX/n¹/² = 0,003 mrad. При этом следует учитывать, что средняя квадратическая погрешность не может быть меньше максимальной чувствительности инклинометра, которая составляет 0,001 mrad.

Для обеспечения надежности измерений инклинометры располагаются на жесткой платформе или специальном креплении, устанавливаемом в точке наблюдений. Штатное крепление прибора снабжено тремя юстировочными винтами, позволяющими при его монтаже быстро и точно привести прибор в рабочее (горизонтальное) положение по круглому уровню. Использовать штатное или подобное крепление особенно важно, поскольку оно не только значительно экономит время при монтаже, но и обеспечивает достоверность измеряемых углов наклона. Инклинометры Leica серии NIVEL 200 измеряют угол наклона в миллирадианах (mrad), а температуру в градусах по Цельсию (с точностью 0,1°С). Несомненное удобство использования единиц измерения в радианах представляется в том, что угловая величина в 1 mrad соответствует наклону поверхности в 1 мм на 1 м.

Табл.2.   Соотношения различных угловых величин
  Сантисекунда (cc) Угловая секунда (″) Миллирадиан (mrad) Микрорадиан (μrad)
Сантисекунда (cc) 1 0,324 1,570796 E-3 1,570796
Угловая секунда (″) 3,08641975 1 4,848136 E-3 4,848136
Миллирадиан (mrad) 636,61977 206,2648062 1 1000
Микрорадиан (μrad) 0,63661977 0,206264806   1

В Российской Федерации и странах СНГ традиционно сложилась система измерений угловых величин в градусах, минутах, секундах. В силу различных технических задач, а также в связи с частым использованием специалистами зарубежных программных средств возникает необходимость представления информации о наклоне в радианах (rad), миллирадианах (mrad), микрорадианах (мrad) и сантисекундах (сс). Для удобства перевода из одних единиц измерения в другие можно использовать параметры перехода, приведенные в табл. 2. Открытое программное обеспечение и простые команды управления инклинометров серии Leica NIVEL 200 позволяет создавать собственные программные модули, ориентированные на решение конкретных задач.

 


О компании Направления деятельности Услуги и заявка Проекты и решения Партнеры и клиенты Контакты