Виды и точность гидростатических нивелиров

Рис. 3.34. Нивелир шланговый технический НШТ-1
а — общий вид; б — измерительная головка; 1 и 2 — одинаковые измерительные головки; 3 — шланг; 4 — верхняя двусторонняя опорная пятка; 5 — рамка; 6 — ручной клапан; 7 — конусообразная деталь; 8 — свинцовый грузик; 9 — капроновая жилка; 10 — клапан-поплавок; 11 — стеклянный цилиндр; 12 — поплавок с кольцевой риской; 13 — металлическая оправа; 14 — кран; 15 — нижняя опорная пятка; 16 — острие; 17 — навинчивающаяся плоская пятка; 18 — штуцер

Каждая измерительная головка, присоединяемая к шлангу с помощью штуцера 18 (рис. 3.34, б), состоит из стеклянного цилиндра 11 с нанесенной на нем миллиметровой шкалой, заключенного в металлическую оправу 13. Концы стеклянного цилиндра закрываются пробками. Верхняя пробка имеет ручной и автоматический клапаны. Ручной клапан 6 используется для герметизации стеклянного сосуда при транспортировке. Автоматический клапан, состоящий из свинцового грузика 6 и подвешенного к нему на капроновой жилке 9 клапана-поплавка 10, предназначен для свободного пропуска воздуха и для предотвращения выливания жидкости при внезапном повышении уровня или в случае опрокидывания сосуда. При повышении уровня жидкости клапан-поплавок 10 всплывает и, прижимаясь выталкивающей силой жидкости к плоским краям отверстия в конусообразной детали 7, герметически ее перекрывает.

Верхняя часть металлической оправы оканчивается рамкой 5, в которой на резьбе помещена двусторонняя опорная пятка 4. Если измерительный сосуд надо приставить к нивелируемой точке снизу, используют верхнюю плоскость опорной пятки. При подвеске прибора на стенной репер нижняя плоскость пятки 4 опирается на него. Прибор имеет и нижнюю опорную пятку 15 с острием 16 для установки на грунтовые реперы. При необходимости установки прибора на фундаменте или другой поверхности снизу навинчивается вторая пятка 17 — плоская.

Расставив измерительные головки на нивелируемые точки, наблюдатели открывают краны 14 и клапаны 6 прибора и после остановки поплавков 12 одновременно фиксируют глубины жидкости в обоих сосудах, производя отсчеты по красным кольцевым рискам на внешних цилиндрических поверхностях поплавков. После этого краны и клапаны перекрывают и, протаскивая шланг по грунту, нивелир переносят на следующую станцию, где действуют в такой же последовательности. Для работы при положительных температурах воздуха система нивелира заполняется дистиллированной или кипяченой мягкой водой. Зимой для работы при отрицательных температурах до -30 °С в нивелир заливают какой-либо антифриз — жидкость с низкой температурой замерзания. Наиболее пригодны 20-25 % водный раствор хлористого кальция, денатурат, 50 % водный раствор ацетона. Каждый поплавок — пустотелый, кольцевой формы с двусторонним конусообразным сужением центрального отверстия; такая конструкция наилучшим образом обеспечивает пропуск пузырьков воздуха, постоянство высоты поплавка над жидкостью и его устойчивость. Среднеквадратические ошибки измерения превышения с помощью нивелира НШТ-1 составляют:

двойным нивелированием (со взаимной перестановкой сосудов), мм..............0,6
в одном направлении (без перестановки сосудов) с учетом места нуля, мм....1,0
полярным нивелированием (от одной исходной точки), мм...............................2,0

Другой нивелир под названием «Уровень гидростатический модели 115» предназначен для прецизионных измерений превышений в диапазоне ± 25 мм при монтаже горизонтальных элементов крупногабаритного оборудования. Гидростатическая система прибора, заполняемая водой, состоит из двух стеклянных герметических сосудов (головок) 1 (рис. 3.35), соединенных жидкостным шлангом 2 длиной 6 м.

Рис. 3.35. Уровень гидростатический (модель 115):
а - общий вид; б — измерительная головка; 1 — стеклянные герметические сосуды; 2 — жидкостный шланг; 3 — воздушный шланг; 4 — бак; 5 — барабан; 6 — микрометренный винт; 7 — кран; 8 — стальная плита

При необходимости головки могут быть присоединены к поставляемому в комплекте с ними специальному баку 4 для воды. Свободные воздушные пространства в верхних частях головок сообщаются воздушным шлангом, введенным в конструкцию для выравнивания давлений на поверхностях жидкости в сосудах. Эта конструктивная особенность прибора обеспечивает повышение точности нивелирования.

Под каждым репером закладывают, кроме того, два анкерных болта, создавая тем самым для измерительной головки три опорных точки в одной вертикальной плоскости.

Установив головки стальными плитами 8 на нивелируемые поверхности, наблюдатели открывают краны 7 и через 2-3 мин, когда колебательный процесс в гидростатической системе прекратится, отсчитывают уровень жидкости в сосудах. Каждый сосуд, заключенный в бронзовый корпус, сверху герметично закрыт крышкой, сквозь которую проходит микрометренный винт 6 с барабаном 5. Уровень жидкости фиксируют контактно-визуальным способом: визуально уловив момент соприкосновения конусообразного острия микрометреннего винта с мениском жидкости, берут отсчет по барабану 5. Шаг резьбы винта равен 1 мм, а окружность барабана разделена на 100 делений, так что цена одного деления составляет 0,01 мм. Это позволяет производить отсчет по барабану с точностью до 0,001 мм.

Исследования показали, что в закрытых помещениях с постоянным температурным режимом гидростатический уровень обеспечивает измерение превышения на станции со средней квадратической ошибкой порядка 5-8 мкм. В солнечную погоду результаты нивелирования искажаются столь сильно, что без специальной термозащиты применять прибор для точных измерений не рекомендуется.

Достаточно высокую точность измерений обеспечивают и переносные гидростатические нивелиры. В отечественной практике из высокоточных гидростатических нивелиров наиболее известны два. Это гидростатический нивелир УГС и нивелир Мейссера, серийно выпускаемый предприятием «Фрайбергер прецизиономеханик». Оба эти прибора обеспечивают измерение превышения на длине 10-30 м со средней квадратической ошибкой 0,01 мм в благоприятных внешних условиях, характерных главным образом для закрытых помещений. Следует отметить, что при использовании переносных приборов метод гидростатического нивелирования теряет такое достоинство, как возможность дистанционного съема информации. Препятствует широкому применению переносных гидростатических приборов и ограничение диапазона измеряемых превышений несколькими сантиметрами.

Как уже отмечалось, из зарубежных приборов наиболее известным является точный гидростатический шланговый нивелир профессора О. Мейссера, известный также как прецизионный шланговый ватерпас, который рекомендуют применять для измерений малых осадок сооружений.

В закрытых помещениях прибор обеспечивает определение превышений в пределах ± 100 мм со средней квадратической ошибкой 10 мкм.

При этих работах две одинаковые измерительные головки (рис. 3.36, а) нивелира, соединенные шлангом длиной 30 м с внутренним диаметром 10 мм, навешиваются на специальные стенные реперы, предварительно заложенные в намеченных для наблюдений местах сооружения.

Рис. 3.36. Точный гидростатический шланговый нивелир проф. О. Мейссера (прецизионный шланговый ватерпас)
а) общий вид измерительной головки;
б) измерительная головка, установленная на подставке

Головка нивелира представляет собой стеклянный цилиндр 13 в металлическом корпусе 6, подключаемый к жидкостному шлангу 1 через штуцер 16. Пазом в верхней части корпуса прибор навешивается на стенной репер и закрепляется болтовыми держателями 9. Нижняя часть корпуса обхватывается обоймой, закрепляемой на анкерных болтах винтами 4. С помощью установочных винтов 14 измерительной головке по круглому уровню придают отвесное положение и, вращая маховик 12, приводят в движение микрометренный винт 5, опуская его на поверхность жидкости. Контакт острия микрометренного винта с поверхностью воды улавливают визуально или по световому сигналу лампочки индикатора 7. Отсчитывая уровень жидкости, количество целых миллиметров считывают по индексу 8 со шкалы 11, десятые же и сотые доли миллиметра берут по барабану 10.

В нижней части головки имеется кран 2 с уплотняющей гайкой 15, закрывающей стеклянный цилиндр. Для учета изменений температуры рабочей жидкости в шланге под измерительной головкой помещен термометр 17. При нивелировании грунтовых реперов прибор устанавливают на штатив (рис. 3.36, б).

Для непрерывного наблюдения за осадками фундаментов, вертикальными смещениями подкрановых путей и подобных сооружений значительной протяженности целесообразно использовать стационарную гидростатическую систему, которая, в отличие от переносных шланговых нивелиров, может состоять не только из двух, но и из большего количества водомерных сосудов.