ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ


 

Далее
Назад
 

Лабораторная работа №15

ИЗУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИЙ И МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ УРОВНЕЙ

 

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

Уровни служат для ориентирования инструмента и отдельных его частей относительно отвесной линии для измерения малых отклонений от этой линии с заданной точностью, а также для учета изменений в ориентировке отдельных частей инструмента в процессе измерений.

Уровень состоит из чувствительного элемента ампулы с жидкостью и оправы для крепления, установки ампулы и защиты ее от внешних влияний.

Ампула цилиндрического уровня представляет собой трубку из стекла, внутренняя поверхность которой (или некоторая ее часть) имеет форму поверхности вращения дуги окружности вокруг стягивающей ее хорды. Трубка наполнена жидкостью, но содержит небольшое пространство, заполненное ее парами - пузырек уровня. В силу большего веса жидкости пузырек занимает наивысшее положение. Касательная к дуге окружности в точке, соответствующей середине пузырька, занимает горизонтальное положение или перпендикулярна направлению линии отвеса.

Средняя точка О' дуги ab (рис.15.1) рабочей поверхности уровня, ограниченная концами пузырька, называется серединой пузырька.

 

Рис. 15.1

Средняя точка О шкалы, нанесенной на ампуле, называется нульпунктом. Касательная LL1 к дуге АВ в точке, соответствующей нульпункту, называется осью уровня. Если середина пузырька совпадает с нульпунктом, то ось LL1 уровня горизонтальна, если не совпадает - наклонная.

Если на поверхности ампулы нанесены штрихи через некоторое расстояние L, то ценой деления τ называется центральный угол, соответствующий одному делению, т.е. угол, составленный двумя радиусами, опирающимися на соседние штрихи, иначе говоря, угол, на который нужно наклонить ампулу, чтобы пузырек уровня передвинулся на одно деление.

Между τ, l и R - радиусом кривизны трубки уровня существует зависимость:

τ"=( l/R)×ρ".

Величина интервала для всех уровней должна быть равна 2мм.

Тогда

τ"=(2/Rмм)×ρ".

Для τ = 2" необходимо иметь радиус трубки R = 206265 мм ≈ 206 м.

Стрелка прогиба дуги ампулы при ее длине L и радиусе кривизны R будет равна:

h=L2 /8R

или h=L2 τ " /2×8 ρ".

При τ = 2" и L =100 мм :

h ≈ 0,0062 ≈ 6,2 мкм.

Если продифференцировать это выражение по h и τ и перейти к конечным приращениям, то при условии, что ρ" = 2×105, получим:

Δτ = ((32×10-5)/L2 )×Δh.

При изменении стрелки прогиба h на 3мкм цена деления изменяется на 1".

Кроме цилиндрических применяются и круглые уровни, внутренняя поверхность которых отшлифована по сфере. На сферической поверхности круглого уровня деления наносятся в виде двух-четырех концентрических окружностей, диаметры которых отличаются на 4мкм. Ценой деления круглого уровня называется центральный угол, соответствующий расстоянию между двумя соседними окружностями.

 

2.1. Ампулы уровней

 

Ампулы уровней согласно ГОСТ 2386-73 изготавливаются из стекла типа ТУ (пирекс) по ГОСТ 9111-59 и марки С52-1 (ЭС-5К).

Из цилиндрических ампул наиболее часто применяются простые ампулы, обозначаемые как АЦП (рис.15.2а). Они наиболее просты по конструкции и представляют, собой цилиндрическую ампулу, заполненную жидкостью.

Рис. 15.2.
Рис. 15.3.

Недостатком таких ампул является то, что при изменении температуры довольно существенно изменяется объем жидкости, а следовательно, и длина пузырька. Это приводит к большим неудобствам в работе. Простые ампулы могут изготавливаться простыми (с одной рабочей поверхностью) и реверсионными (с двумя рабочими поверхностями, смещенными на 180°). (Рис.15.3в). Цена деления ампул колеблется от 90" до 10".

Кроме того, могут изготавливаться термоустойчивые ампулы.

Для сохранения длины пузырька при изменении температуры необходимо уменьшить объем жидкости без уменьшения диаметра длины ампулы. Для этих целей применяются компенсированные ампулы (рис.15.3 а), в которых для уменьшения количества рабочей жидкости помещается стеклянная трубка с запаянными краями.

Цена деления ампул колеблется от 30" до 4". Ампулы обозначаются АЦП. При необходимости могут изготавливаться термоустойчивые ампулы.

Компенсированные ампулы не дают возможности полностью устранить недостатки простых ампул и при перепаде температуры длина пузырька изменяется еще довольно значительно. Поэтому высокоточные уровни изготавливаются с регулируемой длиной пузырька (АЦП). В таких ампулах внутри имеется стеклянная перегородка с отверстием внизу (рис.15.3 б). В результате этого создается запасная камера. Наклоняя концы ампулы, можно перемещать часть паров наполнителя из одной камеры в другую и тем самым регулировать длину пузырька. Наличие запасной камеры обусловило то, что в некоторых случаях эти ампулы называют камерными. Цена деления таких ампул лежит в пределах от 20" до 1".

Круглые ампулы имеют невысокую точность и применяются для грубой предварительной установки инструмента. Круглые ампулы (АК) представляют собой цилиндр, внутренняя поверхность торцевой стенки которого отшлифована по сфере (рис.15.2 в,г). По приведенной выше классификации все круглые ампулы относятся к простым ампулам, т.е. обладают тем недостатком, что при изменении температуры изменяется величина пузырька. Цена деления круглых ампул находится в пределах от 60' до 3' при радиусе внутренней шлифованной поверхности от 115 до 1376 мм. При необходимости могут изготавливаться термоустойчивые ампулы с ценой деления 10" и диаметром 17мм.

По точности ампулы уровней подразделяются на ампулы малой точности с ценой деления свыше 1', средней точности - от 5" до 1' и высокой точности - до 5".

Диаметры ампул колеблются в пределах от 7,5 до 22мм при длине от 23 до 224мм. Соотношение между диаметром и длиной цилиндрических ампул принято:

для ампул малой точности 1:4; 1:5;

для ампул средней точности 1:4; 1:5; 1:8;

для ампул высокой точности 1:8.

В высокоточных ампулах рабочая длина меньше полной длины ампулы на 2/5, т.е. перемещение пузырька совершается на 3/5 длины ампулы.

На ампулах круглых уровней, как указывалось выше, наносятся концентрические окружности, диаметры которых отличаются на 4мм.

Оцифровка на таких ампулах не применяется. На ампулах цилиндрических уровней наносятся риски (рис.15.3 г, д) с оцифровкой, обозначающей величину наклона оси уровня. Оцифровка может идти от центра пузырька в обе стороны, или от края ампулы в одном направлении. У простых ампул (рис.15.2 б) наносятся деления с пропуском их в центральной части ампулы и обозначением положения концов пузырька, при расположении его в среднем положении ампулы длинными рисками или точками.

Риски, окружности и цифры наносятся на ампулах путем гравирования по тонкому слою воска с последующим травлением в парах плавиковой кислоты и заполнением контрастной краской.

В качестве наполняющей жидкости ампул применяется этиловый ректификованный спирт "Экстра" или "Высшей очистки" по ГОСТ 5962-67, этиловый ректификованный (гидролизный) спирт, смесь этилового наркозного эфира (от 75 до 80% по ГОСТ 6265-52 и этилового ректификованного спирта "Экстра" или "Высшей очистки" (от 25 до 20%) по ГОСТ 5962-67, этиловый наркозный эфир по ГОСТ 6265-52.

Для ампул термоустойчивого исполнения в качестве наполнителя применяется этиловый изооктан по ГОСТ 4374-48, нормальный чистый октан, смесь этилового изооктана (80%) по ГОСТ 4374-48 и изоацилового чистого спирта (20%) по ГОСТ 5830-70, смесь нормального эталонного гентана (82% по ГОСТ 4375-48 и бутилового нормального спирта "чистого для анализа" по ГОСТ 6006-73, смесь чистого ксилоламета (20%) и этилового спирта (60%) по ГОСТ 5962-67. (Спирт должен быть абсолютированный, крепостью не менее 99,4о).

Заполнение ампул производится подогретой жидкостью, после охлаждения которой из ее паров и образуется пузырек уровня. После заполнения ампула запаивается.

 

2.2. Конструкции ампул

 

Как отмечалось выше, оправа уровня служит для закрепления ампулы, предохранения ее от механических повреждений, крепления уровня на приборе и возможности согласования оси уровня с визирной осью прибора или положением отдельных его элементов. В большинстве случаев ампула уровня крепится в оправе при помощи загипсовки. При этом ампула помещается в оправе и все свободное пространство, кроме поверхности, на которой нанесены деления, заполняется гипсовым раствором. Для предохранения гипса от размокания оправа с двух сторон закрывается (рис. 15.4 а, б).

 

Рис 15.4.                                                  

 

Для уровней с ценой деления 20" и менее применяют конструкцию '"плавающего" соединения ампулы с оправой, которая практически полностью освобождает ампулу от влияния деформации оправы (рис. 15.4 в, г, ж). На ампулу с двух концов надеты колпачки из латуни или алюминиевого сплава, закрепленные на ней лаком или глето-глицериновым клеем. Колпачок имеет три сферических выдавки под углом 120° друг к другу, две из которых находятся внизу и воспринимают массу ампулы, а третья - вверху, на пружинном лепестке, который плотно прижимает ампулу к оправе и образует устойчивое соединение на трех точках. В осевом направлений ампула фиксируется одним концом - на колпачке имеется отросток с отверстием, в который входит винт-фиксатор, ввинчивающийся в оправу уровня. Во время деформации оправы при изменении температуры радиальные силы воспринимаются гибкими лепестками обоих колпачков, а осевые силы на ампулу не передаются, так как она закреплена только одним концом, в то время как второй конец остается свободным.

Широкое применение находит также крепление ампул в оправах при помощи резьбовых колец и эластичных прокладок (рис.15.4 з).

Круглые ампулы крепятся в оправах, в основном, при помощи загипсовки или при помощи резьбовых колец и эластичных прокладок (рис.15.4 г, е).

В настоящее время имеется большое разнообразие конструкции оправ, которые обеспечивают юстировку положения ампулы и ее оси по отношению к прибору. Несмотря на это, у всех конструкций заложен один и тот же принцип, заключающийся в наклоне ампулы относительно прибора вокруг оси ее качания. На рис. 15.4 представлены различные конструкции уровней, которые применяются в геодезических приборах.

На рис. 15.4а в пробку оправы ампулы ввинчен винт с шаровой головкой. Шаровая головка помещается в гнезде, состоящем из двух свинчивающихся половинок. При правильной регулировке ампулы на шаровой опоре может поворачиваться в любом направлении. Рабочий поворот оправы лежит в плоскости чертежа. Для поворота оправы на необходимый угол служит поводок, входящий в П-образный выступ корпуса прибора, или детали уровня, при помощи которой он крепится к прибору. В щечки выступа с обоих концов входят два винта и ввинчиваются в поводок оправы. При вращении верхнего винта (при отпущенном нижнем) происходит поворот оправы на необходимый угол. Фиксация положения оправы осуществляется при помощи нижнего винта. Вращение винтов осуществляется шпилькой, вставленной в качестве рычага в отверстия в головках винтов.

В конструкции, представленной на рис. 15.4б, ось качания оправы относительно корпуса уровня задается двумя стопорными винтами, которые ввинчиваются в корпус, а своими острыми концами упираются в углубления в оправе. В результате этого оправа закреплена как бы в центрах. Поворот оправы осуществляется при помощи двух винтов, которые, ввинчиваясь в корпус уровня, упираются с двух сторон в оправу.

На рис. 15.4в, представлена конструкция цилиндрического уровня при алидаде горизонтального круга теодолитов. В данном случае при перемещении стержня (на рисунке слева) происходит поворот оправы ампулы уровня в шаровой опоре. Винт и тарельчатая пружина удерживают шаровой наконечник пробки оправы в сферическом углублении корпуса. Силовое замыкание между подвижным наконечником и поводком левой пробки осуществляется при помощи винтовой пружины растяжения.

В уровне при алидаде вертикального круга теодолитов (рис. 15.4г) в качестве упругого элемента используется сама оправа ампулы, конец которой в виде пластинки прикреплен к корпусу. Для уменьшения усилия сжатия на пластинке сделана специальная канавка. Для поворота оправы используются два винта. Бинты ввинчиваются в поводок оправы и своими головками упираются в щечки П-образного выступа корпуса. Для поднятия оправы с ампулой служит нижний винт, который необходимо вывинчивать при помощи шпильки при предварительно ослабленном верхнем винте. Верхний винт служит для фиксации оправы в необходимом положении.

Накладной уровень к теодолиту Т-2 имеет аналогичную конструкцию регулировочных винтов и шаровую опору на другом конце оправы уровня (рис. 15.4 ж).Уровень, представленный на рис. 15.4з, имеет шаровую опору и один регулировочный винт. В инт жестко закреплен в корпусе и на него сверху и снизу поводка навинчено две гайки. Перемещением гаек по винту осуществляется наклон оправы с уровнем.

Круглый уровень, представленный на рис. 15.4 д, имеет возможность регулировки расположения оси относительно корпуса. Для этого между оправой ампулы и корпусом помещается тарельчатая пружинка. Три винта позволяют наклонять ампулу в небольших пределах в любом направлении. На рис. 15.4 е представлена несколько иная конструкция. В данном случае снизу на оправе ампулы имеется выступ, которым она опирается на плоскость углубления корпуса. Наклон оправы с ампулой осуществляется зажатием и отпусканием трех крепежных винтов за счет небольшого зазора между оправой и корпусом по всему периметру. Для более удобного наблюдения за положением пузырька уровня во время работы с прибором некоторые уровни снабжаются зеркалами, наклон которых можно изменять.

Специфика измерения углов наклона требует, чтобы установка пузырька на середину была предельно точна и выполнялась достаточно быстро. С этой целью уровни снабжаются специальным оптическим устройством - блоком призм (рис. 15.5), который позволяет наблюдать одновременно оба конца пузырька уровня 4.

 

 

Рис 15.5.

Блок призм состоит из призм 2 и 3 с двумя отражающими гранями. Лучи, несущие изображение обоих концов пузырька, направляются в призму 1, одна поверхность которой выполнена сферической. Благодаря сферичности поверхности призмы изображение пузырька рассматривается под некоторым увеличением (1,5x). Точность установки уровня с блоком призм в данном случае в 4 раза превышает точность установки обычного уровня. Уровень считается установленным на середину, если оба конца пузырька на одинаковой высоте, т.е. как бы образуют полное изображение одного конца пузырька.

Кроме того применяются уровни с микрометрической подачей ампулы, изготавливаемые согласно ГОСТ 11196-74, и уровни контрольные, изготавливаемые согласно ГОСТ 3059-75.

 

2.3. Причины, вызывающие изменение цены деления уровня

 

Принято, что порог чувствительности ампулы определяется величиной угла, на который необходимо наклонить ампулу, чтобы пузырек получил едва заметное для невооруженного глаза смещение (~ 0,2мм). Таким образом, предельная погрешность установки составляет 0,1τ. Порог чувствительности ампулы зависит от цены ее деления, качества шлифовки и чистоты внутренней поверхности, свойств наполнителя, температуры и длины пузырька.

В процессе нагрева ампулы длина пузырька медленно уменьшается. При этом с увеличением температуры пузырек уменьшается тем медленнее, чем грубее уровень. Причина в том, что при повышении температуры объем жидкости увеличивается быстрее, чем объем ампулы, и пространство, не заполненное жидкостью, уменьшается. Таким образом, меньший объем жидкости в уровнях с большей ценой деления вызывает меньшее изменение пузырька.

Изменение длины пузырька влияет на порог чувствительности ампулы. Чем длиннее пузырек, тем при данной цене деления ампулы порог чувствительности ниже.

К причинам, изменяющим цену деления ампулы уровня и ее чувствительность, относятся также: химическое взаимодействие между стеклом и наполнителем и деформация трубки уровня.

Средством ослабления взаимодействия наполнителя и стекла является соответствующий их подбор. Содержащиеся в наполнителе примеси, усиливающие взаимодействие, должны удаляться, а ампулы перед заполнением должны тщательно промываться и высушиваться.

Деформация трубки ампулы уровня в течение длительного времени после ее изготовления является следствием остаточных напряжений, которые возникают как в процессе застывания стекла, так и в процессе изготовления ампул. Напряжения в трубках уровней хорошо выявляются на поляриметре при рассматривании их в проходящем поляризованном свете. Для снятия напряжения необходимо применять отжиг заготовки и " искусственное старение" при заготовительных операциях.

На цену деления уровня и порог чувствительности сильно влияют деформации ампулы, вызываемые деформациями оправы. Если ампула соединена с оправой достаточно жестко, то, вследствие различия в коэффициентах линейного расширения, будет влиять, в основном, деформация оправы от изменения температуры. Поэтому соединение ампулы с оправой при помощи гипса можно допустить лишь для ампул, цена деления которых не менее 20-30", или когда ампула обладает достаточной жесткостью. В остальных случаях ампулы необходимо крепить в оправе с расчетом на наименьшие деформации при условии наименьшего и достаточного числа точек закрепления.

 

2.4. Исследование уровней

 

Исследование уровней производится с целью определить его цену деления и чувствительность, а также с целью установления качества и правильности шлифовки внутренней поверхности ампулы. Цена деления уровня может быть определена разными способами, но в основе всех их лежит измерение одного и того же вертикального угла при помощи уровня и каким - либо другим способом независимо от уровня.

Если величину вертикального угла, измеренную независимо от уровня, обозначить через α, а величину того же угла, измеренную при помощи уровня и выраженную в делениях, - через ατ то цена деления уровня будет:

M=α/ατ,

где

ατ=P2-P1;

 
P2 и P1

положение пузырька исследуемого уровня относительно его шкалы до и после изменения наклона уровня на угол α.

 

При наиболее точных исследованиях уровней для измерения вертикального угла независимо от уровня используют специальные приборы- экзаменаторы.

Ампулы уровней весьма незначительно деформируются со временем, поэтому параметры, определенные из исследования уровней, сохраняют свое значение на длительный период. Но иногда внутренняя поверхность ампулы уровня может деформироваться под влиянием химического действия жидкости, наполняющей ампулу, или под воздействием на ампулу оправы при изменениях температуры. Поэтому рекомендуется исследования уровня периодически повторять.

 

 

   
 
Далее
Назад
© Сибирская государственная геодезическая академия (СГГА), 2005