3890

ствием МП вызывает изменение коэффициента механической компенсации на

ΔΚΜ, для которого в диссертации получены три формулы. Из-за сложности формул они здесь не приводятся. Однако вычислив по ним можно рассчитать ошибку в положении визирного луча, воспользовавшись формулой (3). Конкретные расчеты автора показали, что для подвесок на тонких металлических нитях эта ошибка ничтожно мала (0,00009-0,00034" в зависимости от схемы подвески) и учитывать ее нет необходимости; для подвесок на эластичной пружине она значительна (0,01" - нагружен нижний конец; 0,06" - нагружен верхний конец) и ее следует учитывать при расчетах компенсаторов.

симальное значение линейной магнитострикции составляет 10-5. При удлинении инварной полосы в результате этого эффекта в измеренном превышении Ь возникает ошибка:

(4)

Для превышения 2500 мм она равна 0,025 мм. Поэтому в нивелирных ходах с большой разностью отметок начальной и конечной точек эту ошибку рекомендуется учитывать, заменив в формуле (4) превышение h суммой превышений.

Один из разделов главы 11 посвящен методике расчета электромагнитных экранов для нивелиров с компенсаторами. На основе анализа научнотехнической литературы для целей защиты компенсаторов нивелиров от воздействия МП наиболее оптимальными автором выбраны замкнутые экраны с однородными стенками, выполненные в форме цилиндров или сферы, внутри которых располагается компенсатор. В качестве коэффициента экранированияSпринятоотношениемаксимальногоотклонения визирной линии от горизонта, .вызванного влиянием МП, к допустимому отклонению

зависящему от класса нивелирования. Поскольку высота цилиндра для экрана, его диаметр или диаметр шара определяются размерами компенсатора, то

12

основной задачей автора было получение формул для расчета толщины стенок экранов. Такие формулы получены и имеют вид:

для цилиндра, (5) для сферы, (6)

где R - радиус цилиндра или сферы риалаэкрана, магнитная постоянная.

В работе приведен пример расчета цилиндрического экрана из пермаллоя для ослабления влияния МПЗ на компенсатор, обеспечивающий точность стабилизации визирного луча 0,01".

Третья глава «Разработка новых методов и средств эксперименталь-

ного изучения и ослабления влияния МП на точность геометрического ни-

велирования» полностью посвящена методическим и конструкторским разработкам автора по указанной проблеме. Все разработки разделены на две группы: используемые в лабораторных и полевых условиях.

Для лабораторных исследований предложены четыре установки, из которых три являются мобильными, т.е. позволяющими использовать их также в полевых условиях. Отличительной особенностью мобильных установок является использование в них постоянных магнитов для создания МП. На рис.1 и 2 показано конструктивное исполнение трех типов таких установок. Общими элементами в них являются: консоли 1 и 2, основание 3, нивелир 4, стойка 5, стекловолоконный жгут 6, осветительное устройство 7 (фонарь, лазер и др.), втулки 8 и 9, столик 10, лимб И, закрепительный винт 12, отсчетный индекс 13, пластмассовое кольцо 14, устройство индикации визирного луча 18 (автоколлиматор, диффузор, шкала и т.д.). В первом варианте постоянные магниты 15 крепятся в металлических шинах 16. Изменение индукции МП между шинами достигается изменением количества шунтов 17. Во втором варианте (рис. 2,а) индукция МП изменяется путем перемещения кареток 16 с магнитами по направляющим 15. Третий вариант установки (рис. 2, 6) предусматривает крепление на кольце 14 магнитов 17 различной силы. Изменение направления магнитной индукции во всех трех установках достигается поворотом кольца 14 вокруг

горизонтальной оси и всей конструкции вокруг вертикальной оси .В процессе исследований нивелира 4 изменяют индукцию МП по модулю и по направлению, а в устройстве индикации 18 фиксируют смещение визирного луча. В диссертации описана методика и приведены формулы для расчета силы постоянных магнитов, их размеров и расстояний между ними. Четвертый вид установки использует для создания МП катушки Гельмгольца и отличается от уже известных лишь конструктивно.

В работе описаны установки для исследования влияния МП отдельно на нивелир, визирный луч и рейку с инварной полосой.

Методика полевых исследований предусматривает два варианта: по полной и по сокращенной программе. Оба варианта предусматривают закладку специальных геополигонов в области источника ЭМП и в отличие от существующих методов полевых исследований позволяют исследовать:

1) влияние ЭМП только на нивелир; 2) фронтальное и диагональное влияние ЭМП на нивелир, визирный луч и рейку; 3) боковое влияние ЭМП на нивелир, визирный луч и рейку.

С геометрической точки зрения эти случаи можно интерпретировать следующим образом (рис. 3):

1. При воздействии МП на компенсатор нивелира геометрическая форма визирного луча не изменяется. Он остается прямолинейным, но под действием МП отклоняется как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях, вызывая ошибки в отсчетах по рейке и нарушая принцип геометрического нивелирования. Перекрестье К сетки нитей нивелира 1 проецируется визирным лучом на плоскость рейки 2 не в точку К', а в какую-то другую, находящуюся в области круга рассеяния 3 (рис. 3, а). Диаметр круга зависит от величины индукции МП, положение точки К' в пределах круга - от направления вектора напряженности МП. При этом с уменьшением расстояний от нивелира до рейки диаметры кругов рассеяния 4 уменьшаются.

2. Изменение структуры воздушной среды под действием МП (ориентационная поляризация молекул-диполей) нарушает геометрию визирного луча,

14

преобразуя прямую линию в некоторую сложную кривую (рис. 3 ,б). В плоскости рейки 2 проекция К' будет варьировать в зависимости от силы и направления вектора МП в пределах областей, ограниченных не кругами, а сложными замкнутыми линиями 5, по форме приближающимися кокружностям.

3. При воздействии МП только на инварную полосу рейки последняя изза притяжения к полюсам принимает форму дуги некоторого радиуса, что нарушает номинальную цену деления рейки и вызывает дополнительные ошибки в результатах измерений (рис 3, в). При этом совместное влияние всех трех факторов вызывает смещение проекции К' либо в области эллипса 7, либо в области приближающейся к нему замкнутой кривой 8.

Для исключения или ослабления влияния ЭМП на нивелир предложено 7 типов компенсаторов, в принципе не подверженных влиянию ЭМП, т.е. амагнитных. Кроме нечувствительности к ЭМП, компенсаторы обладают большим диапазоном компенсации (до ±2°). Это качество достигается за счет двухсту- •пенчатости конструкции, что соответствует качественно новому этапу в развитии нивелиров с компенсаторами. Двухступенчат,ость предполагает наличие в конструкции двух звеньев: низкоточное звено (механическая подвеска), работающее в большом диапазоне (2-3°), но отличающееся невысокой точностью (несколько угловых секунд), и высокоточное звено (ампула с жидкостью), работающее в небольшом диапазоне, но обеспечивающее высокую точность стабилизации (до 0,1") и нечувствительность к ЭМП. Предложенные компенсаторы разделены на две группы: с полным внутренним отражением от поверхности жидкости и с преломлением визирного луча жидкостным клином.

Различные схемы компенсаторов позволяют получить коэффициенты компенсации от 1 до 8, что способствует широкому варьированию при конструировании новых приборов.

Четвертая глава «Экспериментальные исследования влияния МП на

точность геометрического нивелирования» содержит результаты экспериментальных исследований нивелиров с компенсаторами различных марок в лабораторных и полевых условиях. Кроме того, исследовано влияние МП на рей-

15

ку с иварной полосой и на визирный луч. При исследованиях использованы установки и методы, разработанные автором и описанные в главе III.

Эксперименты показали практически ничтожное влияние МП на точность отсчитывания по рейке с инварной полосой. При изменении индукции МП от О до О.Зх10-2Т разности в отсчетах составляют 0,05-0,1 мм. Так как индукция МПЗ составляет (0,42 - 0,7)* 10-4 Т, то ошибки в отсчетах по рейке в полевых условиях из-за земного магнетизма отсутствуют. Это подтверждают теоретические расчеты и выводы, сделанные в главе II.

В лабораторных условиях подтверждено наличие электромагнитной рефракции (ЭМР), т.е. искривление визирного луча под действием ЭМП. По результатам экспериментов на специально разработанной магнитной установке, располагаемой на расстояниях 5, 10, 20, 30 м от нивелира, сделаны следующие выводы и рекомендации: 1) сильные искусственные МП (ИМП) стимулируют появление ЭМР, воздействующей на визирный луч нивелира и вызывающей ошибки в отсчетах до 0,5 мм (10 делений барабанчика микрометра) и более (рис .4); 2) независимо от места расположения источника МП относительно визирного луча и ориентирования магнитных полюсов отклонение луча происходит вверх от горизонтального положения (это объясняется тем, что ориентация молекул-диполей под действием МП в любом случае образует одинаковую по структуре воздушную среду); 3) МПЗ не может вызывать сколько-нибудь значимую ЭМР и ошибку в результатах геометрического нивелирования, так как, во-первых, индукция МПЗ в 41 раз меньше, чем в использованной магнитной установке, во-вторых, оно действует на всем протяжении визирного луча и относительно постоянно во времени и в пространстве; 4) ошибка в отсчетах 'по рейке из-за ЭМР тем меньше, чем меньше расстояние между возбудителями МП и рейкой. Поэтому рекомендуется выполнять геометрическое нивелирование при наличии ИМП, устанавливая рейку как можно ближе к источнику МП; 5) при пересечении нивелирного хода с протяженным источником МП (ЛЭП, электрифицированные железные дороги и др.) визирный луч нивелира рекомендуется располагать по возможности под углом 90°, чтобы воздействию МП

16

подвергался меньший отрезок луча визирования; 6) при нивелировании вдоль протяженного источника МП, когда визирный луч параллелен объекту, влияние ЭМР минимально, так как измерения производятся практически в однородной по структуре воздушной среде и при постоянном по модулю и вектору МП.

На разработанных автором магнитных установках и по авторской методике исследованы компенсаторные нивелиры, различные по принципу действия и по точности. Часть полученных результатов представлена в табл. 1 и на рис 5, 6,7. Их анализ показывает следующее:

1.Все без исключения нивелиры с компенсаторами подвержены влиянию постоянных МП, хотя и в различной степени. При этом явно прослеживается азимутальная зависимость положения визирного луча в функции косинуса, что вполне соответствует положениям главы I, табл. 2 и § II. 1.2 главы II (табл.1 и рис.5, 6. 7).

2.Длина нитей и эластичной пружины подвески ЧЭ компенсатора и ве- •личина коэффициента механической компенсации сильно влияют на чувствительность нивелиров к МП (ср.нивелиры Н-ЗК и № 050 на рис.4: соответственно длины нитей 26 и 10 мм, коэффициенты механической компенсации - 3 и 0).

3.Высокоточные нивелиры менее чувствительны к МП, чем технические (ср.нивелиры № 007 и № 050 на рис.6). При этом угол наклона магнитных силовых линий (±30°) по отношению к горизонтальному лучу визирования вызывает различные ошибки.

4.Так как индукция МП лабораторной установки в 27,5 раз превышала индукцию МПЗ, то результаты лабораторных исследований были редуцированы на МПЗ и дали ошибки на 1 км нивелирного хода для выше указанных нивелиров соответственно 4,0; 1,0; 0,2 и 1,4 мм.

5.Особое внимание при лабораторных исследованиях уделено цифровому кодовому нивелиру с компенсатором NA 2000 швейцарской фирмы «Лейка». Исследования проводились в двух режимах: оптические измерения (электронный блок выключен - рис,7,а) и электронные измерения (автоматическое отсчитывание по кодовой рейке - рис 7,6). Сравнение.результатов показывает,

17

что, во-первых, приближенно сохраняется азимутальная зависимость ошибок от МП в функции косинуса. Во-вторых, бесспорно то, что при электронных измерениях влияние МП проявляется сильнее (рис 7,а и 7,6), вызывая ошибки в положении луча от -10,86" для азимута 0° до -32,13" для азимута 310° (табл.1). Редуцирование этих величин на МПЗ дает ошибки в положении визирного луча соответственно -0,4" и -1,2", а в расчете на 1 км нивелирного хода 1,9 мм и 5,5 мм. Без сомнения, ошибки обусловлены влиянием МП не только на ЧЭ компенсатора, но и на электронный блок, причем в большей степени. Это обстоятельство необходимо учитывать при планировании и проведении нивелирных работ, особенно вблизи сильных источников МП (ЛЭП, электрифицированные железные дороги и др.)

6. Сравнительный анализ результатов экспериментов автора с результатами других авторов доказывает эффективность установок автора, пригодных для использования как в лабораторных, так и в полевых условиях, т.е. являющихся мобильными.

Для представления эффекта влияния МП на нивелиры с компенсаторами в геометрическом виде на основе данных таблицы 1 построены круговые диаграммы ошибок в положении визирного луча (рис. 8 - 13). За линию относимости принята окружность произвольного радиуса, за исходное направление - вертикальный диаметр окружности, совпадающий с направлением магнитного меридиана. От северного направления меридиана по часовой стрелке отложены азимуты направлений магнитных силовых линий, при которых проводились исследования (0° , 30° ...130° ,180° ...). Вдоль радиусов отложены величины отклонения визирного луча: внутрь окружности (к центру) - отрицательные значения, за окружность (от центра) - положительные значения.

Анализируя рисунки 8-13 можно заметить следующее. Если точки диаграмм для каждого цикла соединить плавными кривыми, то многоугольники преобразуются в замкнутые кривые, приближающиеся по форме к эллипсу. При этом центр эллипса не совпадает с центром окружности. Кроме того, направление эксцентриситета приближается к направлению визирного луча, совпадаю-

18

щего с направлением магнитного меридиана. Это можно объяснить тем, что колебания ЧЭ компенсатора происходят в основном в плоскости визирного луча.3аметим также , что ориентация осей эллипса (либо малой, либо большой) тяготеет к направлению визирного луча. Принцип действия и конструкция компенсатора определяют, какая из осей эллипса ошибок от воздействия МП близка к направлению визирования. Этот фактор необходимо учитывать как при разработке новых приборов, так и при их эксплуатации с целью повышения точности измерений.

Заключение. Основные результаты исследований следующие:

1.Выполнен геометро-графический анализ влияния МП на геометрическое нивелирование показано, что снижение точности измерений происходит из-за воздействия МП на подвешенный ЧЭ нивелира, на инварную полосу рейки и на воздушную среду, в которой проходит визирный луч.

2.Анализ элементов земного магнетизма и их воздействия на нивелиры с компенсаторами позволил получить аппарат формул для расчета ошибок от притяжения ЧЭ компенсатора к полюсам, его разворота, намагничивания частей ЧЭ. Теоретически доказано, что доминирующей является ошибка от притяжения ЧЭ к полюсам.

3.Изменение упругих свойств механических подвесок ЧЭ в МП и появление магнитострикционного эффекта могут вызывать при определенных условиях реальные ошибки. Ослаблять эти ошибки рекомендуется путем введения поправок, рассчитываемых по порученным автором формулам на основе геометрического моделирования. Магнитострикция влияет также на рейку с инварной полосой .

4.Установка электромагнитных экранов вокруг компенсаторов нивелиров - реальный и эффективный путь ослабления влияния МП на точность геометрического нивелирования. Расчеты параметров экранов рекомендуется вести по формулам автора.

19

5.Разработано 5 мобильных установок и методы лабораторных и полевых исследований влияния МП отдельно на нивелир, визирный луч , рейку и в их совокупности. Предложен аппарат формул и методика расчета постоянных магнитовдля установок.

б.Предложено 7 геометрических схем амагнитных компенсаторов с большим диапазоном компенсации (±2°).

Т.Теоретические исследования подтверждены обширным экспериментальным материалом.

8.Все пункты запланированной программы теоретических и экспериментальных исследований по диссертации выполнены . Результаты исследований представляются к защите.

20

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Установкадля исследования влияния постоянных магнитных полей на

нивелиры. - Горький, 1984. - 4 с. - (Горьк.ЦНТИ, № 357 - 84) (в соавторстве).

2.Нивелир. Авт.св. № 1101675, БИ №25, 1984 (в соавторстве).

3.Компенсатор. Авт.св.№ 1267155, БИ №40, 1986 (в соавторстве).

4.Методы исследования влияния магнитных полей на нивелиры // Геод.

ифотограмм, в горном деле. - Свердловск, 1987. - С.35-41 (в соавторстве).

5.Методы исследования влияния магнитных полей на точность геометрического нивелирования // Отчетная научно-техн. конф. по итогам реализ. ЦКП «Строит.компл.» - Горький, 1987. - С.157 -159 ( в соавторстве).

6.Лабораторные исследования влияния постоянных магнитных полей на нивелиры с компенсаторами // Научно-техн. конф. проф.-преп.сост., аспир. и студ. 4.2. - Н.Новгород, 1995 - С.71.

7.Элементы теории влияния МПЗ на компенсаторные нивелиры // Научно-техн. конф. «Строит, комплекс - 96» - Н.Новгород, 1996. - С.92.

8.Амагнитные жидкостные компенсаторы. - Н.Новгород, 1997. - 4 с.- (Нижегор.ЦНТИ, № 21 -97).

9.Исследование влияния МП на визирный луч нивелира и рейку с инварной полосой // Научно-техн. конф. «Строит, комплекс - 97». - Н.Новгород, 1997. С.106-106.

10.Двухступенчатые амагнитные компенсаторы для геодезических приборов // Известия вузов. Строительство и архитектура. - Новосибирск, 1997.

-№8, с.136-139 (в соавторстве).

11.Установка для исследования влияния МП на инварную полосу рейки.

-Н.Новгород, 1998. - 4 с. - (Нижегор. ЦНТИ, № 74-98).

12.Мобильная установка для исследования МП на визирный луч геодезических приборов. - Н.Новгород, 1998. - 4 с. - (Нижегор. ЦНТИ, № 75-98) (в соавторстве).