Разработка и исследование геометрических моделей нивелирования для ослабления влияния на него магнитных полей

• Автор: Кочетова, Элеонора Федоровна
• Шифр специальности: 05.01.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 184 с. : ил.

Введение
Актуальность темы
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 объектах (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 инварную 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:
1. При воздействии МП на компенсатор нивелира геометрическая форма визирного луча не изменяется. Он остаётся прямолинейным, но на выходе из зрительной трубы отклоняется в вертикальной плоскости (от горизонтального положения), вызывая ошибки в отсчётах по рейке и нарушая принцип геометрического нивелирования.
2. Изменение структуры воздушной среды под действием МП (ориентационная поляризация молекул - диполей) нарушает геометрию визирного луча, преобразуя прямую линию в некоторую сложную кривую.

3. При воздействии МП только на рейку визирный луч остаётся прямолинейным и горизонтальным, а прямолинейная инварная полоса рейки из-за притяжения к полосам 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 линии (горизонтального луча визирования) на шкалу, в качестве которой служит вертикально установленная рейка с 5-мм делениями. Под влиянием ЭМП вместо истинной проекции точки получают ошибочное её положение. Изменение вектора ЭМП обусловливает возникновение множества проекций точки перекрестия сетки нитей. Это множество будет распределяться вокруг истинной окружности и с положительной, и с отрицательной степенью точек. Причём 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 на тонких металлических нитях (или ленточках), на плоской эластичной пружине, шарикоподшипниках и др. [16]. На рис. 1 показаны схемы подвесок ЧЭ на тонких металлических нитях: А, В и С, О - точки крепления нитей соответственно к корпусу компенсатора и к ЧЭ; а и Ь - расстояние между точками подвески; 1 - длина нитей. Вариант со скрещивающимися нитями показан штрихами на рис.1, а. Подвески на эластичной пружине и шарикоподшипниках можно продемонстрировать левым столбцом схем для Км = 1, если представить, что колебания ЧЭ происходят в плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа. На рис. 1 утолщенными чёрными линиями показаны элементы компенсатора, изготовленные из ферромагнитных материалов.
г- К=1 7
(! — :1 О
3 "Т 1 :=£ О Ог
О О5
Г о о
о о
Рис.1. Возможные схемы расположения токопроводящих элементов в подвесках компенсаторов.

1=2фм , 8Шфм=8Шф*81Пфо С08ф«С05фо*С08(-Хо),

где Хо= 100° и фо=74° - географические координаты геомагнитного полюса, ф и фм - соответственно географическая и геомагнитная широты места наблюдения.
Значение индукции В, входящей в формулы (8), в зависимости от требуемой точности и условий проведения геометрического нивелирования можно определить тремя способами: измерить с помощью магнитометра, взять с геомагнитной карты района работ, Вычислить по формуле [31] для данного места.
Второй источник ошибок, разворот подвески, обусловлен тем, что на замкнутый контур с током (компенсатор из ферромагнетика и есть рамка, по которой идёт наведённый индукционный ток), постоянное магнитное поле оказывает постоянное ориентирующее действие и старается повернуть его в равновесное положение, при котором плоскость контура с током перпендикулярна к линиям магнитного поля. На рис 9,а плоскость контура подвески АВСД пересекает магнитные силовые линии. Так как точки А и В крепления нитей к корпусу компенсатора неподвижны, то под ориентирующим действием магнитного поля сместятся лишь точки С и О крепления нитей к ЧЭ, и нижняя база повернётся в положение С’Д’ на угол Р относительно начального положения. Разворот ЧЭ вызовет изменение направления визирного луча в горизонтальной плоскости и смещение самого ЧЭ по высоте (в вертикальной плоскости). На точности геометрического нивелирования сказывается лишь второе обстоятельство. В соответствии с рис 9,а ЧЭ изменит своё положение по высоте на величину
(’созр=2*5т2(р/2), где £- длина подвески (АС и ВД). При этом визирный луч отклонится от горизонтального положения на угол
Л8разВ=р*ЛЯ=2'*8т2(р/2) *р/Т,
(10)
где Сфокусное расстояние зрительной трубы.